BR112016012537B1

BR112016012537B1 - liga à base de níquel, inserto de sede de válvula para um motor de combustão interna, método de fabricação do inserto de sede de válvula e método de fabricação de um motor de combustão interna

Info

Publication number: BR112016012537B1
Application number: BR112016012537-1A
Authority: BR
Inventors: Cong Yue Qiao; Lawrence A. Bowsher; Daniel E. Ward; Scott A. Smith
Original assignee: L. E. Jones Company
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2021-01-19
Also published as: CN105793453B; US20150152752A1; BR112016012537A2; WO2015084546A1; US9638075B2; CN105793453A

Abstract

LIGA DE ALTO DESEMPENHO À BASE DE NÍQUEL. A presente invenção se refere a uma liga à base de níquel que inclui, em percentual em peso, carbono de cerca de 0,7 a cerca de 2%; manganês até cerca de 1,5%; silício até cerca de 1,5%; cromo de cerca de 25 a cerca de 36%; molibdênio de cerca de 5 a cerca de 12%; tungstênio de cerca de 12 a cerca de 20%; cobalto até cerca de 1,5%; ferro de cerca de 3,5 a cerca de 10%; níquel de cerca de 20 a cerca de 55% e impurezas incidentais. A liga é adequada para uso em aplicações de temperatura elevada tais como em insertos de sede de válvula para motores de combustão interna.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente revelação refere-se a ligas à base de níquel. Mais especificamente, a presente revelação se refere às ligas à base de níquel que têm alta dureza, limite de elasticidade à compressão, resistência ao desgaste, resistência à tração máxima, condutividade térmica, fundibilidade e/ou usinabilidade, que podem ser usadas para modificar partes, como insertos de sede de válvula.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] As ligas de inserto de sede de válvula à base de níquel geralmente têm resistência ao desgaste, resistência ao calor e resistência à corrosão superior aos de aços de alta liga e são frequentemente usadas como materiais para membros estruturais que servem sob condições rigorosas, como insertos de sede de válvula. As ligas à base de níquel conhecidas têm características relativamente boas, inclusive uma boa dureza e um bom limite de elasticidade à compressão. As ligas à base de níquel conhecidas incluem uma liga identificada como J96 (disponível junto à L. E. Jones Company of Menominee, Michigan), que têm uma boa dureza e um bom limite de elasticidade à compressão.

[0003] A liga identificada como J89 também é marcada por L. E. Jones Company — os detalhes dessa liga são fornecidos na Patente cedida à mesma cessionária no U.S. 6.482.275, cuja revelação está incorporada no presente documento, a título de referência em sua totalidade. Em geral, a liga J89 inclui, em percentual em peso, 2,25 a 2,6% de C, até 0,5% de Mn, até 0,6% de Si, 34,5 a 36,5% de Cr, 4,00 a 4,95% de Mo, 14,5 a 15,5% de W, 5,25 a 6,25% de Fe, saldo de Ni mais impurezas incidentais.

[0004] A liga à base de níquel identificada como J91 (disponível junto à L.E. Jones Company) é descrita na Publicação de Pedido de Patente cedida à mesma cessionária no U.S. 2008/0001115 (Pedido de Patente no U.S. 11/476.550), cuja revelação inteira está incorporada no presente documento, a título de referência, em sua totalidade.

SUMÁRIO

[0005] Nas modalidades, a presente revelação fornece uma liga à base de níquel que contém, em percentual em peso, carbono de cerca de 0,7 a cerca de 2%; manganês até cerca de 1,5%; silício até cerca de 1,5%; cromo de cerca de 25 a cerca de 36%; molibdênio de cerca de 5 a cerca de 12%; tungstênio de cerca de 12 a cerca de 20%; cobalto até cerca de 1,5%; ferro de cerca de 3,5 a cerca de 10%; níquel de cerca de 20 a cerca de 55%; e impurezas incidentais.

[0006] Nas modalidades adicionais, a liga à base de níquel pode conter, em percentual em peso, carbono de cerca de 1 a cerca de 1,9%; manganês até cerca de 0,6%; silício até cerca de 0,7%; cromo de cerca de 26 a cerca de 33%; molibdênio de cerca de 6,5 a cerca de 10%; tungstênio de cerca de 14,5 a cerca de 16,5%; cobalto até cerca de 0,6%; ferro de cerca de 5 a cerca de 8,5%; níquel de cerca de 29 a cerca de 44%; e impurezas incidentais.

[0007] Nas modalidades adicionais, a liga à base de níquel pode conter, em percentual em peso, carbono de cerca de 1,1 a cerca de 1,8%; manganês de cerca de 0,1 a cerca de 0,6%; silício de cerca de 0,1 a cerca de 0,7%; cromo de cerca de 28,5 a cerca de 33%; molibdênio de cerca de 7 a cerca de 9%; tungstênio de cerca de 14,5 a cerca de 16,5%; cobalto até cerca de 0,6%; ferro de cerca de 5 a cerca de 8,5%; níquel de cerca de 29 a cerca de 44%; e impurezas incidentais.

[0008] Nas modalidades, a presente revelação fornece um inserto de sede de válvula para um motor de combustão interna, em que o inserto de sede de válvula é feito a partir de uma liga à base de níquel que compreende, em percentual em peso, carbono de cerca de 0,7 a cerca de 2%; manganês até cerca de 1,5%; silício até cerca de 1,5%; cromo de cerca de 25 a cerca de 36%; molibdênio de cerca de 5 a cerca de 12%; tungstênio de cerca de 12 a cerca de 20%; cobalto até cerca de 1,5%; ferro de cerca de 3,5 a cerca de 10%; níquel de cerca de 20 a cerca de 55%; e impurezas incidentais.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0009] A Figura 1 é uma vista em corte transversal de uma montagem de válvula que incorpora um inserto de sede de válvula de uma liga à base de níquel de acordo com uma modalidade da revelação (chamada, no presente documento, de liga J95).

[0010] A Figura 2 é um micrográfico de microscopia de luz óptica (OLM) que representa a morfologia microestrutural na liga J95 (calor experimental 8).

[0011] A Figura 3 é uma representação gráfica da correlação entre uma dureza medida e uma dureza calculada para a liga J95.

[0012] A Figura 4 é uma representação gráfica da correlação entre uma resistência à ruptura de inserto medida e uma calculada para a liga J95.

[0013] A Figura 5 é uma representação gráfica dos limites de elasticidade à compressão como uma função de temperatura para a liga J95 (calor experimental 8) e as ligas J89 e J91.

[0014] A Figura 6 é uma representação gráfica da resistência à ruptura por tração máxima como uma função de temperatura para a liga J95, em comparação com a liga J89.

[0015] A Figura 7 é um micrográfico de microscopia eletrônica de varredura (SEM) que representa uma imagem de elétron retrodifundida da microestrutura J95 na condição em estado bruto.

[0016] A Figura 8 é um micrográfico de OLM que representa a morfologia microestrutural típica da liga J89, outra liga à base de níquel.

[0017] A Figura 9 é um micrográfico de OLM que representa a morfologia microestrutural típica da liga J91, outra liga à base de níquel.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0018] Nas modalidades, a presente revelação fornece uma liga à base de níquel útil para um inserto de sede de válvula, que será descrito, agora, em detalhes com referência a algumas modalidades da mesma como ilustrado nos desenhos anexos. Na descrição detalhada a seguir, os inúmeros detalhes específicos são estabelecidos a fim de fornecer uma compreensão meticulosa da liga à base de níquel. Será evidente, entretanto, para uma pessoa de habilidade comum na técnica que as modalidades no presente documento podem ser praticadas sem alguns ou sem nenhum detalhe específico. Em outros casos, as etapas e/ou estruturas bem conhecidas do processo não foram descritas em detalhes, de modo que não se omita sem necessidade a liga à base de níquel.

[0019] No presente relatório descritivo e nas reivindicações a seguir, formas singulares como “um”, “uma” e “a/o” também podem incluir formas no plural, exceto se o conteúdo indicar claramente de outro modo.

[0020] Exceto onde indicado em contrário, todos os números que expressam quantidades, condições e similares na presente revelação e reivindicações devem ser entendidos como modificados em todos os casos pelo termo "cerca de". O termo “cerca de” se refere, por exemplo, a valores numéricos que abrangem uma faixa de mais ou menos 10% do valor numérico.

[0021] Os termos “temperatura no ambiente”, “temperatura ambiente” e “ambiente” se referem, por exemplo, a uma temperatura de cerca de 20 °C (cerca de 68 °F) a cerca de 25 °C (cerca de 77 °F).

[0022] A Figura 1 ilustra uma montagem de válvula de motor 2 de acordo com a presente revelação. A montagem de válvula 2 inclui uma válvula 4, que pode ser sustentada de modo deslizável no furo interno de um guia de haste de válvula 6 e inserto de sede de válvula 18. O guia de haste de válvula 6 é uma estrutura tubular que se encaixa no cabeçote de cilindro 8 de um motor. As setas indicam a direção de movimento da válvula 4. A válvula 4 inclui uma face de sede de válvula 10 interposta entre a tampa 12 e o gargalo 14 da válvula 4. A haste de válvula 16 é posicionada acima do gargalo 14 e é recebida no guia de haste de válvula 6. O inserto de sede de válvula 18 inclui um inserto de face de sede de válvula 10’ e é montado, através de encaixe por pressão, no cabeçote de cilindro 8 do motor. Nas modalidades, o cabeçote de cilindro 8 pode compreender uma fundição de ferro fundido, alumínio ou liga de alumínio. Nas modalidades, o inserto 18 (mostrado em corte transversal) é anular quanto ao formato e o inserto de face de sede de válvula 10’ engata a face de sede de válvula 10 durante o movimento de válvula 4.

[0023] Nas modalidades, a presente revelação se refere a uma liga à base de níquel (doravante chamada de “liga J95” ou “J95”). A fundibilidade, usinabilidade, rigidez, dureza, limite de elasticidade à compressão, resistência à ruptura por tração máxima, resistência ao desgaste e a condutividade térmica da liga J95 tornam a mesma útil em uma variedade de aplicações, incluindo, por exemplo, como um inserto de sede de válvula para um motor de combustão interna e em mancais de esfera, revestimentos e similares. Nas modalidades, a liga é usada como um inserto de sede de válvula para um motor de combustão interna.

[0024] Nas modalidades, a liga J95 compreende, em percentual em peso, carbono de cerca de 0,7 a cerca de 2%; manganês até cerca de 1,5%; silício até cerca de 1,5%; cromo de cerca de 25 a cerca de 36%; molibdênio de cerca de 5 a cerca de 12%; tungstênio de cerca de 12 a cerca de 20%; cobalto até cerca de 1,5%; ferro de cerca de 3,5 a cerca de 10%; níquel de cerca de 20 a cerca de 55%; e impurezas incidentais.

[0025] Nas modalidades, a liga J95 pode ter adições opcionais de outros elementos de formação de liga ou pode ser livre de adições intencionais de tais elementos. Nas modalidades, o saldo da liga J95 é níquel e impurezas incidentais. Nas modalidades, o níquel pode estar presente na liga em uma quantidade de cerca de 20 a cerca de 55 de percentual em peso, como de cerca de 25 a cerca de 50 de percentual em peso, ou de cerca de 29 a cerca de 44 de percentual em peso. Nas modalidades, a liga J95 pode conter a partir de 0 a cerca de 1,5 de percentual em peso de outros elementos (como menos do que cerca de 1 de percentual em peso ou menos do que cerca de 0,5 de percentual em peso), como, por exemplo, alumínio, arsênico, bismuto, cobre, cálcio, magnésio, nitrogênio, fósforo, chumbo, enxofre, estanho, titânio, ítrio e elementos de terra rara (lantanídeos), zinco, tântalo, selênio, háfnio e zircônio.

[0026] Nas modalidades, a liga J95 consiste essencialmente em, em percentual em peso, carbono de cerca de 0,7 a cerca de 2%; manganês até cerca de 1,5%; silício até cerca de 1,5%; cromo de cerca de 25 a cerca de 36%; molibdênio de cerca de 5 a cerca de 12%; tungstênio de cerca de 12 a cerca de 20%; cobalto até cerca de 1,5%; ferro de cerca de 3,5 a cerca de 10%; níquel de cerca de 20 a cerca de 55%; e impurezas incidentais. Conforme usado no presente documento, os termos “consiste essencialmente em” ou “que consiste essencialmente em” têm um significado parcialmente restrito — o que significa que tais termos excluem etapas, recursos ou elementos adicionais que, substancial e desvantajosamente, iriam alterar as propriedades básicas e inovadoras da liga (isto é, etapas ou recursos ou elementos adicionais que teriam um efeito prejudicial sobre as propriedades desejadas da liga J95). As propriedades básicas e inovadoras da liga J95 podem incluir pelo menos uma dentre as seguintes: fundibilidade, usinabilidade, rigidez, dureza, limite de elasticidade à compressão, resistência à ruptura por tração máxima, resistência ao desgaste, condutividade térmica e microestrutura de liga.

[0027] Nas modalidades, a liga J95 pode ser processada para alcançar uma combinação de fundibilidade, usinabilidade, rigidez, dureza, limite de elasticidade à compressão, resistência à ruptura por tração máxima, resistência ao desgaste e condutividade térmica adequados para insertos de sede de válvula. A liga J95 pode ser processada de acordo com qualquer conjunto de procedimentos adequado. Os conjuntos de procedimentos para processar a liga J95 incluem, por exemplo, metalurgia de pó, fundição, forjamento a quente, aspersão térmica/de plasma, sobreposição soldada, revestimento a laser, modificação de superfície, como PVD, CVD e similares.

[0028] Nas modalidades, a liga J95 pode ser transformada em um material em pó através de vários conjuntos de procedimentos que incluem, por exemplo, moer por esfera os pós elementares ou atomização para formar pó pré-ligado. Nas modalidades, o material em pó pode ser compactado em um formato desejado de uma parte e aglomerado. O processo de aglomeração pode ser usado para alcançar propriedades desejadas na parte.

[0029] Os insertos de sede de válvula podem ser fabricados através de fundição, que é um processo conhecido que envolve fundir constituintes de liga e verter a mistura fundida em um molde. Nas modalidades, as fundições de liga podem ser submetidas opcionalmente a um tratamento por calor antes da usinagem para um formato final.

[0030] Nas modalidades, a liga J95 pode ser usada na fabricação de insertos de sede de válvula que incluem, por exemplo, insertos de sede de válvula para uso em aplicações de trem de válvula com motores a diesel, como motores a diesel com ou sem EGR, motores a gás natural e motor de combustível duplo. A liga J95 também pode ser útil em outras aplicações. Por exemplo, a liga J95 pode ser usada em insertos de sede de válvula feitos para motores à gasolina, a gás natural, bicombustíveis ou, alternativamente, motores impulsionados por combustão interna. Nas modalidades, os insertos de sede de válvula de liga J95 podem ser fabricados por conjuntos de procedimentos convencionais.

[0031] A liga J95 também pode ser útil em outras aplicações em que as propriedades de alta temperatura são vantajosas, como revestimentos resistentes ao desgaste, componentes de motor de combustão interna e componentes de motor a diesel.

[0032] Sem se atear a qualquer teoria em particular, acredita-se que a microestrutura exclusiva da liga J95 (que nas modalidades contém fases de reação quase totalmente eutéticas) e a distribuição microestrutural da liga J95 (em que a fases de reação eutéticas são distribuídas fina e uniformemente) rendem propriedades na liga J95, como fundibilidade, usinabilidade, rigidez, dureza, limite de elasticidade à compressão, resistência à ruptura por tração máxima, resistência ao desgaste e condutividade térmica, que são desejáveis para aplicações de inserto de sede de válvula. Nas modalidades, a microestrutura da liga J95 é totalmente ou quase totalmente composta por fases de reação eutéticas — ou seja, nas modalidades, a liga J95 compreende fases de reação eutéticas em uma quantidade de pelo menos 95 por cento em volume, como pelo menos 97 por cento em volume ou cerca de 100 por cento em volume de fases eutéticas. Nas modalidades, a microestrutura da liga J95 consiste essencialmente em fases de reação eutéticas. Nas modalidades, as fases de reação eutéticas na liga J95 têm morfologia lamelar em forma bruta e são distribuídas fina e uniformemente na microestrutura.

[0033] Nas modalidades, o comprimento das fases eutéticas é menor do que cerca de 1 mícron. Sem se ater a nenhuma teoria particular, acredita-se que o comprimento das fases eutéticas seja mais sensível às condições de fundição do que a largura e, assim, pode variar dependendo das condições de fundição. Por exemplo, nas modalidades, o comprimento das fases eutéticas pode ser de cerca de 1 a cerca de 20 mícrons, como menos do que cerca de 15 mícrons ou menos do que cerca de 10 mícrons.

[0034] A Figura 2 é um micrográfico da morfologia microestrutural de uma modalidade da liga J95. Conforme mostrado na Figura 2, embora possa haver uma quantidade muito pequena, por exemplo, de fases de solução sólidas (potencialmente nas áreas de cores mais claras do micrográfico na Figura 2), a morfologia microestrutural ilustrada na Figura 2 é quase totalmente (isto é, cerca de 100% em volume) de fases de reação eutéticas. Essas fases de reação eutéticas têm uma morfologia lamelar e são distribuídas finamente.

[0035] Nas modalidades, a microestrutura da liga J95 é livre ou aproximadamente livre de fases primárias de carboneto — por exemplo, em modalidades, a microestrutura da liga J95 contém menos do que cerca de 2 por cento em volume de fases primárias de carboneto, como menos do que cerca de 1 por cento em volume ou menos do que cerca de 0,5 por cento em volume ou menos do que cerca de 0,1 por cento em volume ou é livre de fases primárias de carboneto (isto é, contém 0 por cento em volume de fases primárias de carboneto). Nas modalidades, a microestrutura da liga J95 é aproximadamente livre ou livre de fases de solução sólidas de níquel — por exemplo, em modalidades, a liga J95 contém menos do que cerca de 2 por cento em volume de fases de solução sólidas de níquel, como menos do que cerca de 1 por cento em volume ou menos do que cerca de 0,5 por cento em volume ou menos do que cerca de 0,1 por cento em volume ou é livre de fases de solução sólidas de níquel (isto é, contém 0 por cento em volume de fases de solução sólidas de níquel). Em uma modalidade preferencial, a microestrutura da liga J95 é livre tanto de fases primárias de carboneto quanto de fases de solução sólidas de níquel — ou seja, em modalidades, a liga J95 não contém fases primárias de carboneto detectáveis nem fases de solução sólidas de níquel detectáveis. Algumas ligas de níquel usadas para aplicações de inserto de sede de válvula usam fases primárias de carboneto ou fases de solução sólidas de níquel para alcançar propriedades desejáveis, como resistência ao desgaste, dureza, usinabilidade ou um coeficiente de expansão linear baixo — na liga J95, as fases primárias de carboneto e as fases de solução sólidas de níquel não são necessárias para alcançar essas propriedades desejáveis. Ou seja, nas modalidades, a liga J95 é livre ou aproximadamente livre (isto é, menos do que 2 por cento em volume) de fases de solução sólidas de níquel e de carbonetos primárias, ao passo que ainda alcança propriedades desejáveis para aplicações de inserto de sede de válvula, como fundibilidade, usinabilidade, rigidez, dureza, limite de elasticidade à compressão, resistência à ruptura por tração máxima, resistência ao desgaste e condutividade térmica.

[0036] Nas modalidades, a liga J95 pode ter um alto nível de dureza. Por exemplo, nas modalidades, a liga J95 pode ter uma dureza a granel de estado bruto de mais do que cerca de 45 HRc, como maior do que cerca de 50 HRc ou maior do que cerca de 55 HRc ou de cerca de 45 a cerca de 60 HRc ou de cerca de 50 a cerca de 55 HRc.

[0037] Nas modalidades, a liga J95 exibe uma rigidez satisfatória para uso em aplicações de inserto de sede de válvula. Por exemplo, nas modalidades, um inserto de sede de válvula feito a partir da liga J95 pode ter uma resistência à ruptura de cerca de 0,3 a cerca de 0,8 (x 8,33 pé-libra força (x 11,29 Newton-metro)), ou maior do que cerca de 0,4 (x 8,33 pé-libra força (x 11,29 Newton-metro)), como de cerca de 0,4 a cerca de 0,7 (x 8,33 pé-libra força (x 11,29 Newton-metro)).

[0038] Nas modalidades, a liga J95 tem uma alta resistência à tração máxima e limite de elasticidade à compressão — ou seja, a liga J95 tem uma resistência à tração máxima e limite de elasticidade à compressão adequados para uso em aplicações de inserto de sede de válvula. Em geral, uma maior resistência à tração máxima corresponde a uma maior resistência à rachadura de inserto e um maior limite de elasticidade à compressão corresponde a uma capacidade de retenção superior de inserto de sede de válvula e recessão de deformação de superfícies de assentamento de inserto de válvula/sede de válvula (isto é, desgaste de deformação). Adicionalmente, um material com um limite de elasticidade à compressão superior pode ser usado de modo benéfico em conceitos de parede mais fina para insertos de sede de válvula. Nas modalidades, a liga J95 tem um limite de elasticidade à compressão de maior do que cerca de 689,47 MPa (100 ksi) em temperaturas de cerca de temperatura no ambiente (25 °C (77 °F)) a cerca de 537,78 °C (1.000 °F), como maior do que cerca de 758,42 MPa (110 ksi) ou maior do que cerca de 827,37 Mpa (120 ksi) ou maior do que cerca de 896,32 MPa (130 ksi). Por exemplo, nas modalidades, o limite de elasticidade à compressão da liga à temperatura no ambiente é maior do que cerca de 896,32 MPa (130 ksi). Nas modalidades, a resistência à ruptura por tração máxima da liga J95 é maior do que cerca de 206,84 MPa (30 ksi), como de cerca de 275,79 a cerca de 482,63 MPa (40 a 100 ksi) em uma temperatura de cerca de 23,89 °C (75 °F) (temperatura no ambiente) a cerca de 315,56 °C (600 °F). Por exemplo, nas modalidades, a resistência à ruptura por tração máxima da liga J95 é maior do que cerca de 413,68 MPa (100 ksi) em 25 °C (77 °F).

[0039] Nas modalidades, a liga J95 tem uma alta condutividade térmica adequada para uso em aplicações de inserto de sede de válvula. A condutividade térmica de materiais de inserto de sede de válvula influencia seu desempenho — um material de inserto de sede de válvula com alta condutividade térmica pode transferir de modo mais eficaz o calor na direção oposta às válvulas de motor a fim de impedir o superaquecimento. Nas modalidades, a liga J95 tem uma condutividade térmica de cerca de 8 a cerca de 22 W/mK, como de cerca de 10 a cerca de 20 W/mk, em temperaturas de cerca de temperatura no ambiente a cerca de 700 °C.

[0040] Nas modalidades, a liga J95 pode ter um coeficiente de expansão térmica linear adequado para uso em aplicações de inserto de sede de válvula. Por exemplo, nas modalidades, a liga J95 tem um coeficiente de expansão térmica linear de cerca de 11 x 10-6 mm/mm °C a cerca de 17 x 10-6 mm/mm °C.

[0041] Nas modalidades, a liga J95 contém uma quantidade adequada de carbono, que contribui para a dureza da liga. Por exemplo, nas modalidades, a liga J95 contém de cerca de 0,7 a cerca de 2 de percentual em peso de carbono, como de cerca de 1 a cerca de 1,9 de percentual em peso de carbono ou de cerca de 1,1 a cerca de 1,8 de percentual em peso de carbono ou de cerca de 1,3 a cerca de 1,7 de percentual em peso de carbono.

[0042] Nas modalidades, uma quantidade adequada de cromo aprimora a resistência à corrosão na liga J95. Nas modalidades, a liga J95 contém de cerca de 25 a cerca de 36 de percentual em peso de cromo, como de cerca de 26 a cerca de 33 de percentual em peso ou de cerca de 28,5 a cerca de 33 de percentual em peso de cromo.

[0043] Nas modalidades, o tungstênio está presente na liga J95 em uma quantidade que varia de cerca de 12 a cerca de 20 de percentual em peso, como de cerca de 13 a cerca de 18 de percentual em peso ou de cerca de 14,5 a cerca de 16,5 de percentual em peso.

[0044] Nas modalidades, o ferro está presente na liga J95 em uma quantidade que varia de a partir de 3,5 a cerca de 10 de percentual em peso, como de cerca de 4 a cerca de 9 de percentual em peso ou de cerca de 5 a cerca de 8,5 de percentual em peso.

[0045] Nas modalidades, a liga J95 contém molibdênio em uma quantidade de cerca de 5 a cerca de 12 de percentual em peso, como de cerca de 6 a cerca de 11 de percentual em peso ou de cerca de 6,5 a cerca de 10 de percentual em peso ou de cerca de 7 a cerca de 9 de percentual em peso.

[0046] Nas modalidades, o manganês pode ser adicionado ou estar presente na liga J95 em uma quantidade de até cerca de 1,5 de percentual em peso, como até cerca de 0,6 de percentual em peso ou até cerca de 0,5 de percentual em peso ou até cerca de 0,4 de percentual em peso ou até cerca de 0,2 de percentual em peso. Por exemplo, nas modalidades, o manganês pode estar presente na liga J95 em uma quantidade a partir de 0 a cerca de 1,5 de percentual em peso, como de cerca de 0,1 a cerca de 0,6 de percentual em peso.

[0047] Nas modalidades, o silício pode ser adicionado a ou estar presente na liga J95 em uma quantidade, por exemplo, de até cerca de 1,5 de percentual em peso, como até cerca de 0,7 de percentual em peso ou até cerca de 0,5 de percentual em peso ou até cerca de 0,3 de percentual em peso. Por exemplo, nas modalidades, a liga J95 pode conter a partir de zero a cerca de 1,5 de percentual em peso de silício, como de cerca de 0,1 a cerca de 0,7 de percentual em peso de silício.

[0048] Nas modalidades, a liga J95 pode conter cobalto. Por exemplo, nas modalidades, o cobalto pode ser adicionado a ou estar presente na liga J95 em uma quantidade de até cerca de 1,5 de percentual em peso, como até cerca de 0,7 de percentual em peso ou até cerca de 0,06 de percentual em peso ou até cerca de 0,5 de percentual em peso ou até cerca de 0,3 de percentual em peso. Por exemplo, nas modalidades, a liga J95 pode conter cobalto em uma quantidade de a partir de zero a cerca de 1,5 de percentual em peso, como de cerca de 0,05 a cerca de 0,8 de percentual em peso ou de cerca de 0,1 a cerca de 0,6 de percentual em peso. EXEMPLOS

[0049] Os exemplos a seguir são ilustrativos de diferentes composições e condições que podem ser usadas na prática das modalidades da presente revelação. Todas as partes e as porcentagens são em peso, exceto onde indicado em contrário. Ficará evidente, entretanto, que as modalidades podem ser praticadas com muitos tipos de composições e podem ter muitos usos de acordo com a revelação acima e como indicado doravante.

[0050] Os efeitos de alterações composicionais foram explorados variando-se a composição de várias ligas experimentais. As composições dos Calores Experimentais 1 a 11 são estabelecidas na Tabela 1. Para propósitos comparativos, as composições das ligas J89 e J91 também são fornecidas. As propriedades da liga J95 são discutidas abaixo. O termo “restante” se refere à soma do percentual em peso das quantidades muito pequenas de elementos adicionais presentes na liga que constituem o percentual em peso restante da liga (isto é, % em peso do restante = 100% - (∑ai % em peso); em que ∑ai é a soma do percentual em peso de todos os elementos listados e ai é % em peso para um elemento individual da lista de elementos). TABELA 1 COMPOSIÇÃO DE CALORES EXPERIMENTAIS

[0051] Conforme mostrado na tabela acima, os elementos de formação de liga que distinguem os calores de liga J95 (isto é, Calores Experimentais 1 a 8) a partir das ligas J89 e J91 são carbono, molibdênio e cromo.

[0052] EXEMPLO 1 AVALIAÇÃO DE RIGIDEZ DE INSERTO

[0053] As amostras da liga J95 (calores experimentais 2 a 7) foram fundidas de modo a formar insertos de sede de válvula que têm uma geometria de amostra idêntica. Os insertos de sede de válvula em estado bruto foram submetidos ao teste de esmagamento radial em condições ambientais para avaliar a rigidez. O teste de esmagamento foi avaliado de acordo com uma versão modificada do Padrão da Federação de Indústria de Pó de Metal 55 (determinação de resistência ao esmagamento radial de espécimes de teste de metalurgia de pó). Uma carga compressiva foi aplicada a cada inserto de sede de válvula na orientação radial. Conforme a amostra foi pressionada, a amostra sob a força foi deformada. Cada amostra foi continuamente pressionada e a quantidade de deformação aumentou até a amostra rompida. A força aplicada à amostra em ruptura foi uma função de material, geometria de amostra, temperatura e taxa de esforço. A força e deformação em ruptura de pico obtidas a partir do teste de esmagamento radial é resumida na Tabela 2. TABELA 2 RESULTADOS DE TESTE DE ESMAGAMENTO RADIAL DE INSERTO

[0054] O Índice de Rigidez de Inserto de Jones L.E. é calculado com o uso da seguinte fórmula:

[0055] O Índice de Rigidez de Inserto de Jones L.E. = (força x deformação no rompimento) / 100

[0056] A unidade de força é o Newton (libra) e a unidade de deformação total é o metro (polegada) — portanto, a unidade de índice é 8,33 pé-libra força (11,29 Newton-metro).

[0057] A resistência à ruptura de inserto pode afetar o desempenho de inserto desejado, assim como o processo de usinar inserto. Por exemplo, para algumas ligas, a resposta à trituração pode ser um desafio significativo se um projeto agressivo for aplicado (isto é, geometria que apresenta parede fina). Conforme mostrado na Tabela 2, a resistência à ruptura de inserto para cada amostra esteve em uma faixa de 0,438 a 0,625 (x 8,33 pé-libra força (11,29 Newton-metro). Dessa forma, os insertos de sede de válvula testados exibiram uma resistência à ruptura de inserto satisfatória para aplicações de inserto de sede de válvula.

[0058] A análise de regressão linear foi realizada para analisar a dureza a granel (HRc) para a liga J95 como uma função dos cinco principais elementos de formação de liga (isto é, carbono, cromo, molibdênio, tungstênio e ferro). O resultado de regressão para a dureza a granel de estado bruto pode ser definido através da Equação (1): Hestado bruto= - 27,5 + 0,637C + 0,681Cr + 1,57Mo + 2,24W + 2,58Fe (1)

[0059] Ao estudar os efeitos relativos dos vários elementos em HRc a granel, o efeito relativo de cada elemento é o produto do coeficiente e o teor elementar (em percentual em peso). Conforme mostrado na Equação 1, todos os cinco dentre os principais elementos de formação de liga mostraram um efeito positivo na dureza a granel. Dessa forma, um aumento no carbono, cromo, molibdênio, tungstênio e ferro na faixa elementar de formação de liga estudada irá aumentar uma dureza a granel de estado bruto de liga. A Figura 3 ilustra a correlação entre a dureza a granel medida e a dureza a granel calculada com o uso da Equação (1). Em uma faixa elementar de formação de liga avaliada, uma correlação muito boa foi observada, com parâmetro de regressão de R2=1. Em um sistema de liga avaliado, uma correlação linear adequada entre a dureza em estado bruto prevista e a dureza em estado bruto medida foi obtida. Adicionalmente, nenhuma alteração de dureza a granel à liga J95 é esperada ao experimentar uma exposição térmica abaixo de 982,22 °C (1.800 °F).

[0060] Uma análise de regressão linear também foi realizada para analisar a resistência à ruptura em estado bruto de inserto da liga J95 como uma função dos cinco principais elementos de formação de liga. O resultado de regressão para a resistência à ruptura em estado bruto pode ser definido através da Equação (2) (em que o percentual em peso é aplicado a todos os elementos de formação de liga): lestado bruto = - 7,21 + 0,268C + 0,296Cr + 0,0789Mo - 0,120W - 0,0234Fe (2)

[0061] Conforme mostrado na Equação (2), o carbono, cromo e molibdênio obtiveram um efeito positivo na resistência à ruptura de inserto, ao passo que o tungstênio e o ferro obtiveram um efeito negativo na rigidez de inserto. Dessa forma, na faixa de sistema de liga J95 avaliada, um aumento no carbono, cromo ou molibdênio ou uma diminuição no tungstênio ou ferro, irá promover uma resistência à ruptura de inserto.

[0062] A Figura 4 ilustra a relação entre a resistência à ruptura de inserto medida e a resistência à ruptura de inserto calculada com a Equação (2). Em uma faixa elementar de formação de liga avaliada, uma correlação muito boa foi observada com parâmetro de regressão de R2=1. Os resultados também implicaram que em um sistema de liga avaliado, uma correlação linear adequada entre a resistência ao esmagamento radial prevista e a resistência ao esmagamento radial medida foi obtida.

[0063] EXEMPLO 2 LIMITE DE ELASTICIDADE À COMPRESSÃO E RESISTÊNCIA À RUPTURA POR TRAÇÃO

[0064] As amostras da liga J95 (Calor Experimental 8), da liga J89 e da liga J91 foram avaliadas para determinar o limite de elasticidade à compressão segundo o ASTM E209-89A (2000) (Standard Practice for Compression Tests of Metallic Materials at Elevated Temperatures with Conventional or Rapid Heating Rates and Strain Rates).

[0065] A composição das ligas J89 e J91 testadas é estabelecida na Tabela 3. TABELA 3 COMPOSIÇÃO DAS LIGAS J89 E J91 no de Calor Experimental

[0066] Os resultados do teste de compressão são estabelecidos na Tabela 4. Uma comparação gráfica do limite de elasticidade à compressão como uma função de temperatura para a liga J95, a liga J89 e a liga J91 é estabelecida na Figura 5. TABELA 4 LIMITE DE ELASTICIDADE À COMPRESSÃO DE J89, J91 E J95

[0067] O limite de elasticidade à compressão é uma dentre as propriedades de materiais críticas para aplicações de inserto de sede de válvula em termos de capacidade de retenção de inserto de sede de válvula e desgaste de deformação de inserto de válvula/sede de válvula. Em geral, o limite de elasticidade à compressão superior é preferencial para aplicações de inserto de sede de válvula. Um material com limite de elasticidade à compressão superior pode ser benéfico para conceito de parede mais fina de inserto de sede de válvula que foi uma tendência recente em projetos de motor. Conforme mostrado na Tabela 4, o limite de elasticidade à compressão da liga J95 foi aproximadamente igual ao da liga J89 na faixa de temperatura aplicada. A liga J95 mostrou um limite de elasticidade à compressão geral superior (exceto a 1.000 °C) às ligas J89 e J91 na faixa de temperatura de teste aplicada.

[0068] A liga J95 não contém carbonetos primários, mas ainda tem o mesmo limite de elasticidade à compressão que a liga J89, que é composta por fases de matriz eutéticas mais carbonetos primários. Sem se ater a nenhuma teoria particular, acredita-se que a liga J95 tenha um alto limite de elasticidade à compressão visto que é composto por fases de reação eutéticas finas, ao passo que a matriz J89 é composta por fases de reação eutéticas significativamente maiores. Dessa forma, o projeto da microestrutura livre de carbonetos primários na liga J95 fornece uma melhor resistência ao desgaste geral e auxilia no aprimoramento da usinabilidade e da fundibilidade.

[0069] A liga J95 também foi avaliada quanto à resistência à tração para temperaturas até 922,04 °C (1.200 °F) com o uso de ASTM E8-04 (2004) (Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials) e ASTM E21-05 (Standard Test for Ultimate Tensile Rupture Strength). Os resultados deste teste são resumidos na tabela 5 e ilustrados na Figura 6. TABELA 5 RESISTÊNCIA À RUPTURA POR TRAÇÃO MÁXIMA DE J89, J91 E J95

[0070] Conforme mostrad o na Tabela 5 e Figura 6, a liga J 95 exibiu uma resistência à ruptura por tração similar à liga J89. Dessa forma, a liga J95 deve ter uma resistência à tração suficiente para aplicações de inserto de sede de válvula.

[0071] EXEMPLO 3 EXAMINAÇÃO DE SEM

[0072] A Figura 7 é um micrográfico de microscopia eletrônica de varredura (SEM) que ilustra uma imagem de elétron retrodifundida da liga J95 (calor experimental 8) na condição em estado bruto. Conforme mostrado na Figura 7, com o fotomicrografia de contraste z, a morfologia microestrutural eutética fina foi revelada para a liga J95. O padrão de segregação elementar foi significativamente mais fraco do que as típicas fundições de alta liga.

[0073] A análise de espectroscopia de raios X dispersiva de energia (EDS) foi executada em três locais (localização intragranular A, localização intracelular B e localização intragranular C) para definir de modo semiquantitativo a composição de cada região. Os resultados dessa análise de EDS semiquantitativa mostraram que as diferenças composicionais principais entre a Localização A e a Localização B ou a Localização C foram os teores de carbono e molibdênio. Ou seja, o teor de carbono na Localização A foi o dobro tanto da Localização B quanto da Localização C, ao passo que o teor de molibdênio nas Localizações B e C foi o dobro da Localização A. Os resultados indicaram que não houve formação de carboneto primário. Além disso, a eutética estrutura (forma principalmente lamelar) foi distribuída finamente.

[0074] Em comparação, a Figura 8 e a Figura 9 ilustram a morfologia microestrutural típica das ligas J89 e J91, respectivamente. A composição das amostras das ligas J89 e J91 é estabelecida na Tabela 6: TABELA 6 TEOR ELEMENTAR DAS LIGAS J89 E J91

[0075] A liga J89 é uma liga de níquel-cromo-tungstênio que contém uma matriz eutética fortalecida por carbonetos primários que exibem morfologia em formato de bastão ou em H. A liga J91 é uma liga de Ni-Cr-W-Mo que contém fase de Ni fortalecida por solução sólida e estruturas de solidificação eutética (isto é, cerca de 50% em volume de fases eutéticas e 50% em volume de fase de solução sólida de níquel, sem carbonetos primários).

[0076] EXEMPLO 4 CONDUTIVIDADE TÉRMICA

[0077] A condutividade térmica de materiais de inserto de sede de válvula pode afetar seu desempenho. Um material de inserto de sede de válvula com alta condutividade térmica é desejável, visto que o mesmo pode transferir de modo eficaz o calor na direção oposta às válvulas de motor para impedir o superaquecimento. A condutividade térmica da liga J95 foi medida segundo o ASTM E1461-01 (Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method).

[0078] A medição foi realizada em um sistema NETZSCH LFA 457 MicroFlash™ em amostras em formato de disco com um diâmetro de 1,27 centímetros (0,5 polegada), uma espessura de 0,2 centímetro (0,079 polegada) e com uma aspereza de superfície de 1,27 micrômetro (50 micropolegadas) ou menos. Uma amostra alinhada entre um laser vítreo de neodímio (comprimento de onda de 1,06 mm, largura de pulso de 330 ms) e um detector de infravermelho de antimoneto de índio (InSb) em uma fornalha de alta temperatura. Durante a medição, a amostra foi estabilizada em uma temperatura de teste antes de ser aquecida com o uso de pulsos de laser em uma superfície da amostra. A elevação de temperatura a partir da superfície oposta foi medida através do dispositivo infravermelho.

[0079] Para propósitos comparativos, as amostras das ligas J89 e J91 também foram avaliadas. As composições das ligas avaliadas são estabelecidas na Tabela 7. TABELA 7 COMPOSIÇÕES DE LIGA EXPERIMENTAIS

[0080] Uma comparação entre a condutividade térmica da liga J95 (calor experimental 8) e a das ligas J89 e J91 é fornecida na Tabela 8. TABELA 8 RESULTADOS DE MEDIÇÃO DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA

[0081] Conforme mostrado na Tabela 8, a liga J95 apresentou uma condutividade térmica ligeiramente inferior em comparação com as ligas J89 e J91. Sem se ater a nenhuma teoria particular, acredita-se que a diferença entre J95 e J89 ou J91 quanto à condutividade térmica foi, provavelmente, relacionada às diferenças em suas composições e microestruturas.

[0082] EXEMPLO 5 COMPORTAMENTO DE EXPANSÃO E CONTRAÇÃO TÉRMICAS

[0083] Uma amostra da liga J95 (calor experimental 8) foi usada para estudar o comportamento de expansão e contração térmicas da liga J95. Para os propósitos comparativos, o coeficiente de expansão térmica das amostras da liga J89 (no de Calor 4E18D) e da liga J91 (Calor 7G10XA) também foram medidos. As composições das ligas avaliadas são estabelecidas na Tabela 9. TABELA 9 COMPOSIÇÃO DAS LIGAS J89 E J91

[0084] Os resultados de medição de coeficiente de expansão térmica linear são estabelecidos na Tabela 10: TABELA 10 COMPORTAMENTO DE EXPANSÃO TÉRMICA DAS LIGAS J89, J91 E J95

[0085] Conforme mostrado na Tabela 10, a liga J95 teve um coeficiente de expansão térmica linear diferente em comparação com as ligas J89 e J91. Sem se ater a nenhuma teoria particular, acredita-se que a diferença em comportamento de expansão térmica é relacionada às diferenças nas microestruturas das ligas. A liga J95 é adequada para uso em aplicações de inserto de sede de válvula.

[0086] Ficará evidente pelos elementos versados na técnica que a presente invenção pode ser incorporada em outras formas específicas sem que se afaste do espírito ou características essenciais da mesma. As modalidades aqui reveladas são consideradas, portanto, em todos os aspectos, como ilustrativas e não restritivas. O escopo da invenção é indicado pelas reivindicações anexas em vez de pela descrição supracitada, e todas as alterações que são abrangidas pelo significado, gama e equivalência da mesma são destinadas a serem englobadas no mesmo.

Claims

1. Liga à base de níquel caracterizada pelo fato de que consiste essencialmente, em percentual em peso: carbono de 0,7 a 2%; manganês até 1,5%; silício até 1,5%; cromo de 25 a 36%; molibdênio de 6,5 a 12%; tungstênio de 12 a 20%; cobalto até 1.5%; ferro de 3,5 a 10%; níquel de 20 a 55% e impurezas incidentais, a liga tendo uma dureza a granel de estado bruto de fusão de não menos que 52 HRc e uma microestrutura que compreende fases de reação eutética tendo uma morfologia lamelar e pelo menos 95 por cento em volume de fases de reação eutética e a microestrutura é livre de fases primárias de carbeto.

2. Liga à base de níquel, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que consiste essencialmente em: carbono de 1 a 1,9%; manganês até 0,6%; silício até 0,7%; cromo de 26 a 33%; molibdênio de 6,5 a 10%; tungstênio de 14,5 a 16,5%; cobalto até 0,6%; ferro de 5 a 8,5%; níquel de 29 a 44% e impurezas incidentais.

3. Liga à base de níquel, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que consiste essencialmente em: carbono de 1,1 a 1,8%; manganês de 0,1 a 0,6%; silício de 0,1 a 0,7%; cromo de 28,5 a 33%; molibdênio de 7 a 9%; tungstênio de 14,5 a 16,5%; cobalto até 0,6%; ferro de 5 a 8,5%; níquel de 29 a 44% e impurezas incidentais.

4. Liga à base de níquel, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que as fases eutéticas são distribuídas uniformemente na microestrutura.

5. Liga à base de níquel, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a liga à base de níquel tem uma resistência de elasticidade à compressão de pelo menos 689,47 MPa (100ksi) a uma temperatura de 23,89 °C (75 °F) a 537,78 °C (1.000 °F).

6. Liga à base de níquel, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a liga à base de níquel tem uma resistência à ruptura por tração máxima de 275,79 MPa (40 ksi) a 482,63 MPa (70 ksi) a uma temperatura de 25 °C (77 °F) a 315,56 °C (600 °F), em que a resistência à ruptura por tração máxima é maior do que 413,68 MPa (60 ksi) a uma temperatura de 25 °C (77 °F).

7. Liga à base de níquel, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a liga à base de níquel tem uma dureza a granel de estado bruto de fusão de mais do que 54 HRc.

8. Inserto de sede de válvula para um motor de combustão interna, caracterizado pelo fato de que o inserto de sede de válvula é feito de uma liga à base de níquel que consiste essencialmente em percentual em peso, carbono de 0,7 a 2%; manganês até 1,5%; silício até 1,5%; cromo de 25 a 36%; molibdênio de 6,5 a 12%; tungstênio de 12 a 20%; cobalto até 1,5 percentual em peso; ferro de 3,5 a 10%; níquel de 20 a 55% e impurezas incidentais, a liga tendo uma dureza a granel de estado bruto de fusão de não menos que 52 HRc e uma microestrutura que compreende fases de reação eutética tendo uma morfologia lamelar e pelo menos 95 por cento em volume de fases de reação eutética e a microestrutura é livre de fases primárias de carbeto.

9. Inserto de sede de válvula, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o inserto de sede de válvula está na forma de uma peça fundida.

10. Inserto de sede de válvula, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o inserto de sede de válvula tem um índice de resistência à ruptura de 0,35 x 11,29 N.m (8,33 ft.lb) a 0,7 x 11,29 N.m (8,33 ft.lb).

11. Método de fabricação do inserto de sede de válvula conforme definido na reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende fundir a liga à base de níquel e usinar uma peça da liga à base de níquel.

12. Método de fabricação de um motor de combustão interna, caracterizado pelo fato de que compreende inserir o inserto de sede de válvula conforme definido na reivindicação 8 em um cabeçote de cilindro do motor de combustão interna.