BRPI0408346B1 - liga de ferro fundido cinzento para a produção de peças fundidas de bloco de cilindro e/ou de cabeçote de cilindro de motor. - Google Patents
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Description
"LIGA DE FERRO FUNDIDO CINZENTO PARA A PRODUÇÃO DE PEÇAS FUNDIDAS DE BLOCO DE CILINDRO E/OU DE CABEÇOTE DE CILINDRO
DE MOTOR"
CAMPO TÉCNICO DA PRESENTE INVENÇÃO
A presente invenção se refere a uma liga de ferro fundido cinzento para a produção de peças fundidas de bloco de cilindro e/ou de cabeçote de cilindro de motor, compreendendo ferro, carbono, silício, manganês, fósforo, enxofre, estanho e nitrogênio. A presente invenção adicionalmente se refere a um componente de motor de combustão interna, fundido, feito a partir de uma liga de ferro fundido cinzento em concordância com a presente invenção.
PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA DA PRESENTE INVENÇÃO
Regulamentações de emissão pelas legislações ambientais a respeito de motores a diesel para veículos comerciais pesados têm se tornado mais e mais rigorosas. Pressão de pico de cilindro mais alta é uma das soluções para reduzir emissões. Em assim fazendo, material mais resistente para o bloco de cilindro e para a cabeçote de cilindro é necessário para estabelecer a alta pressão do motor. Utilizar ferro fundido vermicular poderia ser uma das soluções, entretanto, tem que se estar preparado para custo de produto mais alto e condutividade térmica mais baixa e capacidade de amortecimento mais baixa do material. A utilização continuada de ferro cinzento deveria ser positiva em muitos aspectos se a resistência mecânica deste ferro cinzento pudesse ser tornada suficientemente alta. A presente invenção é uma contribuição em direção a este objetivo. 0 efeito de nitrogênio sobre as propriedades mecânicas de ferro cinzento vem sendo discutido desde a década dos anos 1.950, ver por exemplo, J. V. Dawson, L. W. L. Smith e Β. Β. Bach: BCIRA Journal, 1.953, 4, (12), 540,
e/ou F. Ά. Mountford: The influence of nitrogen on the strength, soundness and structure of grey cast iron: The British Foundryman (1.966), abril, 141 - 151. Aumentos de teor de nitrogênio da ordem de 0,01 % ou de 100 ppm elevam a resistência mecânica à tração por até 25 %. 0 teor de nitrogênio poderia ser tão alto quanto 150 ppm sem problemas, ainda que as exatas determinação e mensuração de nitrogênio nesta época sejam discutíveis.
Foi também mostrado por C. Atkin: Nitrogen in iron; Foundry Worldf Fallf (1.979), 43 - 50, que aumento de teor de nitrogênio a partir de 40 ppm até 80 ppm pode aumentar a resistência mecânica à tração por 10 % - 20 % dependendo dos equivalentes de carbono. Mais tarde durante este trabalho, foi relatado que aumento de teor de nitrogênio a partir de 40 ppm - 50 ppm até 140 ppm - 150 ppm aumentou a resistência mecânica à tração por 29 % sem problemas de defeito enquanto o teste de verificação de fundição não foi tão bem sucedido, ver P-E. Perssonf L-E. Bjõrkegren: Grãjarn med fõrhõjda mekaniska egenskaper,
Gjuteriforeningenf 20010409. Todos os dados anteriormente mencionados foram obtidos a partir de barras fundidas separadamente.
Embora o efeito positivo tenha sido reconhecido, não existe nenhum relato de aplicação abrangente em produção prática. Muito do trabalho tem sido focalizado em combater este efeito negativo de aumento de nitrogênio, o que significa dizer, nitrogênio em peças fundidas de ferro cinzento comerciais tem sido considerado como um elemento prejudicial formando defeitos de porosidade em peças fundidas, quando o teor de nitrogênio está acima de 90 ppm - 100 ppm, ver J. M. Greenhill e Ν. M. Reynolds: Nitrogen defects in iron castings; Foundry Trade Journal, 1.981, 16 de julho, 111 - 122, e International committee of foundry technical association: International atlas of casting defects, AFS, 1.993. O defeito provocado pelo nitrogênio é chamado de fissuras, bolhas (falhas em metal fundido), furinhos ou rechupes dispersas que são observadas depois de usinagem. Os níveis permitidos exatos dependem da composição química de base, de outros teores de gás, da geometria de peça fundida e da taxa de solidificação. Uma outra razão pela qual este efeito positivo de aumento de nitrogênio não foi abrangentemente utilizado poderia ser o de que o requerimento de resistência mecânica sobre ferro cinzento em grande parte tem sido facilmente completamente preenchido pelo ajustamento dos equivalentes de carbono e de adição de elementos de liga facilmente controlada. Entretanto, aumento adicional da resistência mecânica de ferro cinzento para níveis como requeridos no futuro utilizando os métodos convencionais deveria provocar problemas graves de fundibilidade para fundições. Nova rota é conseqüentemente necessária para superar o problema de fundibilidade.
O teor de nitrogênio em ferro cinzento em fusão está usualmente na faixa de 0,004 % - 0,009 % ou 40 ppm - 90 ppm. Os teores exatos dependem do material de carga e dos processos de fusão. Material em fusão a partir de forno cubilô com alta percentagem de fragmento de aço possui teor de nitrogênio mais alto do que material em fusão a partir de forno elétrico e baixa percentagem de fragmento de aço. Na medida que o teor está em um nível excessivamente baixo, controle deste teor de nitrogênio é usualmente ignorado em prática de fundição, a menos que algumas fundições adicionem titânio para o material em fusão para evitar porosidade de gás em peças fundidas.
RESUMO DA PRESENTE INVENÇÃO
O que se mostra necessário é conseqüentemente uma liga de ferro fundido cinzento para a produção de peças fundidas de bloco de cilindro e/ou de cabeçote de cilindro possuindo mais resistência mecânica do que as existentes ligas de ferro fundido cinzento, com boa usinabilidade e com um nivel de nitrogênio altamente controlado para evitar fragmento.
Para este objetivo, a liga de ferro fundido cinzento para a produção de peças fundidas de bloco de cilindro e/ou de cabeçote de cilindro em concordância com a presente invenção compreende ferro, carbono, silício, manganês, fósforo, enxofre, estanho e nitrogênio e está caracterizada pelo fato de que o teor de nitrogênio da referida liga está na faixa de 0,0095 % - 0,0160 %, e de que o teor de estanho da referida liga está na faixa de 0,05 % - 0,15 %.
Concretizações vantajosas em concordância com a presente invenção estão sugeridas nas reivindicações de patente dependentes posteriormente.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS DA PRESENTE INVENÇÃO
A presente invenção irá ser descrita em maiores detalhes posteriormente, de uma maneira não limitante com referência para os desenhos acompanhantes nos quais:
A Figura 1 é um diagrama mostrando a relação entre a resistência mecânica à tração e o teor de nitrogênio em uma liga de ferro fundido cinzento; e
A Figura 2 é um diagrama mostrando um aumento de resistência mecânica à tração pelo nitrogênio a partir de uma peça fundida de cabeçote de cilindro.
As Figuras são somente representações esquemáticas e a presente invenção não está limitada para estas concretizações.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA PRESENTE INVENÇÃO
Em concordância com a presente invenção, cabeçotes de cilindro e blocos de cilindro são fundidos com ferro fundido cinzento com as seguintes composições em % em peso:2,7 % - 3,8 % de carbono; 1,0 % - 2,2 % de silício; 0,3 % -1,2 % de manganês; 0,02 % - 0,1 % de fósforo; 0,04 % - 0,15 % de enxofre; 0,05 % - 0,15 % de estanho; com ou sem adição de liga de até 1,5 % de cobre; de até 0,6 % de crômio e de até 0,6 % de molibdênio; de 0,0095 % - 0,0160 % de nitrogênio; de algumas impurezas e o balanço de ferro. Titânio e alumínio são considerados como impurezas. Devido ao fato da alta afinidade destes titânio e alumínio para nitrogênio, estes titânio e alumínio neutralizam o efeito benéfico de nitrogênio e também criam problemas para a usinagem devido para os nitretos de titânio super duros. Preferivelmente, estes titânio e alumínio estão limitados para menos do que 0,02 % cada. Vanádio é um elemento similar ao titânio em ferro fundido. Acima de um determinado limite de vanádio, carbonitretos de vanádio equilineares poderiam ser precipitados. Para evitar os efeitos prejudiciais destes carbonitretos de vanádio equiaxiais de neutralização de nitrogênio efetivo e de criação de problemas de usinagem, o teor de vanádio deveria ser mais baixo do que grosseiramente 0,025 %. 0 material com estas composições pode ser fundido em molde de areia verde ou em molde de areia ligado em aglutinante químico. Devido ao fato do alto teor de nitrogênio, a resistência mecânica do material irá ser mais alta do que aquela sem adição de nitrogênio.
Métodos de controle de nitrogênio
Para alcançar um determinado nível de nitrogênio no material em fusão, mensuração é desempenhada para ferro de base. Em concordância com o resultado de teste, a quantidade correta de aditivo é determinada através da recuperação conhecida. A disponibilidade de espectrômetro para mensuração de nitrogênio torna o trabalho muito fácil.
Agentes de nitrificação
Manganês, ferro-manganês, ferro-silicio e nitreto de silício nitrificados podem ser utilizados como agentes de nitrificação. Tratamentos de material em fusão com estes materiais não criam problemas para composição de base e escória. Outro material rico em nitrogênio poderia também ser utilizado, entretanto, tem que ser considerada a composição química final e a microestrutura do ferro cinzento. Ferro-vanádio e ferro-crômio nitrificados são tais materiais que poderiam introduzir vanádio e crômio em excesso e criar problemas de carbeto em alguns casos. Gás nitrogênio poderia ser utilizado, entretanto, o que poderia requerer temperatura de material em fusão mais alta e também conduzir para uma necessidade para investimento na fundição.
Método de adição
Pós ou grânulos ou fragmentos de agente de nitrificação podem ser utilizados para se adicionar para o material em fusão de ferro cinzento com um dos seguintes métodos:
.1). Adição em panela de vazamento
O material pode ser adicionado sobre o fundo da panela. De maneira a alcançar distribuição uniforme de nitrogênio na panela, o tamanho de agente de nitrificação deveria ser selecionado em concordância com o tipo de panela e com a quantidade de ferro na panela. Agitação do material em fusão é necessária para algumas espécies de panelas. Até vários minutos são necessários para nitrogênio uniforme em uma panela de 500 kg dependendo do tamanho de partícula do material. .2) . Adição em panela de transferência para forno de vazamento
Se um forno de vazamento é utilizado com uma linha de moldagem, o agente de nitrificação pode ser adicionado através da panela de transferência, exatamente como em uma panela de vazamento. Neste caso, o forno de vazamento mantém ferro liquido tratado em nitrogênio. Não existe nenhum problema para manter o nivel de nitrogênio correto em operação normal com nitrogênio como o gás de pressão no forno. Por exemplo, ferro tratado poderia ser mantido num forno de vazamento de 7 toneladas por três horas sem perda significativa de nitrogênio em um nivel de 130 ppm a partir do inicio.
.3). Adição de pós em fluxo de vazamento
Se um forno de vazamento é utilizado com uma linha de moldagem, mas o molde não é vazado continuamente, método de adição de corrente como o inoculante poderia ser utilizado para evitar manter o ferro tratado por um período de tempo excessivamente longo. Pós de material com tamanho de partícula de até, por exemplo, 1,5 mm são adequados para este processo.
.4). Adição pelo método no próprio molde (In-Mould)
Uma alta recuperação de nitrogênio poderia ser conseguida pelo, assim chamado, método no próprio molde (In-Mould) . Como utilizado na produção de ferro dúctil e de ferro fundido vermicular, uma câmara de reação é projetada com o sistema de vazamento onde tratamento de nitrogênio acontece com o mesmo princípio como para a produção de ferro dúctil e de ferro fundido vermicular.
.5). Injeção de pó e alimentação de arame Estes são os métodos de adição os mais dispendiosos em produção de uma fundição, entretanto, estes métodos possibilitam recuperações muito altas de nitrogênio e excelente reprodutibilidade. Não é aconselhável (recomendável) adicionar portador de nitrogênio diretamente para o forno de fusão. Neste caso, existe um risco de que aconteça perda de nitrogênio no processo de fusão e o controle de processo irá ser complicado.
Efeito de nitrogênio sobre as propriedades de ferro cinzento
1) . Resistência mecânica à tração e os níveis de nitrogênio
Um exemplo sobre a relação entre a resistência mecânica à tração [Oii20ir MPa) e o teor de nitrogênio (N %) está mostrado na Figura 1. Os dados são obtidos a partir de barras de teste maquinadas de 12 mm a partir de placas de teste de espessura de 100 mm. 0 material em fusão foi um a partir de forno cubilô em produção e a composição de base para estes testes são grosseiramente os mesmos. 0 material em fusão foi tratado pelo manganês nitrifiçado em panela. Em concordância com estes resultados, quando o teor de nitrogênio é mais baixo do que grosseiramente 105 ppm, a resistência mecânica à tração aumenta rapidamente com o aumento de teor de nitrogênio. 0 aumento posterior de nitrogênio adicionalmente conduz para aumento menos rápido da resistência mecânica. Esta descoberta é muito importante para o controle de produção e proporciona o fundamento para conseguir a qualidade constante com respeito para o teor de nitrogênio e a variação da resistência mecânica. Para minimizar a variação de resistência mecânica e conseguir a resistência mecânica máxima, o teor de nitrogênio preferido deveria ser mais alto do que grosseiramente 105 ppm para este exemplo.
A Figura 1 também indica o efeito negativo a partir do nitrogênio. Para este exemplo, quando o teor de nitrogênio é mais alto do que 160 ppm, porosidade estava formada na peça fundida. Conseqüentemente, a resistência mecânica começa a cair com nitrogênio aumentando adicionalmente como está mostrado pela linha que se inclina na Figura 1. Conseqüentemente, a presente descoberta é para aumentar o teor de nitrogênio para a faixa de 95 ppm até 160 ppm dependendo do requerimento sobre as propriedades mecânicas e sobre a espessura de seção da peça fundida. A saturação de nitrogênio em ferro cinzento liquido está relacionada para a composição de ferro tal como carbono, silício e cromo. 0 mesmo nível de adição para ferro com carbono e silício baixo pode conduzir para alta recuperação devido ao fato de que a redução destes elementos aumenta a solubilidade de nitrogênio em ferro cinzento líquido. Entretanto, isto poderia também aumentar o risco de que aconteça defeito de fissura devido ao fato de que o grau de supersaturação é, portanto aumentado quando solidificado.
Os dados de resistência mecânica à tração a partir do cabeçote (fire deck) de um cabeçote de cilindro estão mostrados na Figura 2. 0 peso da peça fundida é de 160 kg. 0 molde é ligado em aglutinante químico com resfriamento de água como descrito no assim chamado processo FPC (ver, por exemplo, a patente norte americana número US 6.422.295) . 0 resultado mostrado na Figura 2 envolveu também outras modificações além do nitrogênio, o que não está incluído neste pedido de patente. Uma outra peça fundida de cabeçote de cilindro com um peso de 180 kg confirmou um efeito similar de nitrogênio. 0 aumento de resistência mecânica à tração pelo nitrogênio extra é de 10 % - 20 % dependendo da composição de base da peça fundida de cabeçote de cilindro.
Um outro exemplo é uma peça fundida de bloco de motor a diesel de 12 litros produzida em molde de areia verde. Pelo aumento de nitrogênio a partir de 60 ppm - 80 ppm até95 ppm - 150 ppm a resistência mecânica à tração na área de mancai principal do bloco de motor foi aumentada por 10 % -20 %.
Um grande número de peças fundidas de cabeçote de cilindro e de bloco de cilindro demonstrou que o melhor beneficio é conseguido quando o teor de nitrogênio é mais alto do que grosseiramente 95 ppm.
2). Resistência mecânica à fadiga
O teste de fadiga à tensão e à compressão mostrou que a relação entre a resistência mecânica à fadiga e a resistência mecânica à tração da peça fundida de ferro cinzento tratado em nitrogênio segue a regra de manuseio com um coeficiente de 0,3. Isto revelou que aumentar a resistência mecânica pela adição de nitrogênio é melhor do que a adição de liga tradicional onde a resistência mecânica à tração é aumentada mais do que aquela da fadiga, mais provavelmente devido ao fato de que existem carbetos na microestrutura.
3). Condutividade térmica
A condutividade térmica é ligeiramente diminuída para até várias percentagens dependendo dos teores de nitrogênio. Isto se origina a partir dos efeitos de nitrogênio dos flocos de grafite ligeiramente curtos e da ligeira redução da grafite livre pela promoção de formação de perlita. É possível manter um alto valor de condutividade térmica depois de adição de nitrogênio pelo ajustamento da composição de base do ferro cinzento.
4). Coeficiente de expansão térmica
Os resultados de teste mostraram que o coeficiente de expansão térmica da peça fundida não é afetado pela adição de nitrogênio.
O efeito de nitrogênio sobre a microestrutura de ferro cinzento
1). Grafite
A compactação relatada de grafite pelo nitrogênio foi observada. Entretanto, o grau de compactação é brando (moderado) em peças fundidas de cabeçote de cilindro e de bloco de cilindro devido ao fato da espessura de seção fina, conseqüentemente da alta taxa de solidificação das peças fundidas.
2). Matriz
A adição de nitrogênio reforça a formação de perlita e refina a perlita das peças fundidas de motor. Entretanto, até 0,016 % de nitrogênio não é suficiente para eliminar ferrita livre sobre a superfície de peça fundida e sobre as áreas com grafite subresfriado em nossa fundição. Conseqüentemente, estanho é ainda necessário para eliminar ferrita livre em peças fundidas de cabeçote de cilindro e de bloco de cilindro. Abaixo de 0,04 % de estanho, o efeito não é suficiente para aquelas peças fundidas. Acima de 0,15 % de estanho, existe um risco de que aconteça fragilização do ferro.
0 risco de que aconteça solidificação branca pelo efeito da adição de nitrogênio não foi observado até mesmo em altos níveis de nitrogênio quando com inoculação apropriada.
Redução de variação de propriedade pelo controle de nitrogênio, de titânio, de alumínio, de vanádio e de outros elementos formando carbonitretos metálicos A resistência mecânica mais alta é um dos efeitos conseguidos pela adição de nitrogênio. Além do mais, em concordância com o presente resultado, a variação de nitrogênio é um dos principais fatores para a variação de resistência mecânica com as mesmas composições de base na maior parte da produção de fundição. A variação de resistência mecânica à tração é menor em teores de nitrogênio mais altos em concordância com esta presente invenção do que em teores de produção normal, com a mesma quantidade de variação de nitrogênio.
Quando tratando o ferro com a mesma quantidade de nitrogênio, a resistência mecânica resultante não irá ser a mesma se os teores de alumínio, de titânio e de vanádio variarem, devido ao fato de que existe o efeito da sua neutralização. De maneira a reduzir a variação de propriedade é necessário controlar os teores de alumínio, de titânio e de vanádio quando adicionando nitrogênio.
Como um resumo, a presente descoberta não é somente a do controle do teor de nitrogênio a partir do material de carga, mas também a da adição de nitrogênio para o material em fusão intencionalmente. O melhor nível de nitrogênio não é o de 80 ppm - 100 ppm como foi relatado por C. Atkin: Nitrogen in iron; Foundry World, Fali, (1.979), 43 - 50. Para peças fundidas de cabeçote de cilindro e de bloco de cilindro de motor, o teor de nitrogênio pode ser estendido até para 0,0160 %, preferivelmente na faixa de 105 ppm -145 ppm. O estanho é um elemento muito importante para conseguir peças fundidas livres de ferrita na combinação com outros elementos em concordância com esta presente invenção. Os teores de titânio, de alumínio, de vanádio e de outros elementos de neutralização deveriam estar limitados para conseguir os melhores resultados.
Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a concretizações específicas, deverá ser observado por aqueles especializados no estado da técnica que a presente invenção não é para ser considerada como estando limitada para as concretizações ou as configurações ilustrativas como aqui anteriormente genericamente descritas, mas certamente, um número de variações e de modificações adicionais em muitas outras formas é conceptivel dentro do escopo das subseqüentes reivindicações de patente.
Claims (3)
1.
Liga de ferro fundido cinzento para a produção de peças fundidas de bloco de cilindro e/ou de cabeçote de
cilindro de motor, compreendendo em % em peso: 2,7 % - 3,8 % de carbono; 1,0 % - 2,2 % de silício; 0,3 % - 1,2 % de manganês; 0,02 % - 0,1 % de fósforo; 0,04 % - 0,15 % de enxofre; até 1,5 % de cobre; até 0,6 % de crômio; até 0,6 % de molibdênio; menos do que 0,02 % de alumínio; menos do que 0,02 % de titânio; menos do que 0,025 % de vanádio; nitrogênio e o balanço de até 100 % de ferro e de impurezas, caracterizada pelo fato de que o teor de nitrogênio da referida liga está na faixa de 0,0095 % - .0,0160 % e de que o teor de estanho da referida liga está na faixa de 0,05 % - 0,15 %.
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