PT2052094T

PT2052094T - Material de aço com elevado teor de silício para a produção de anéis de segmento e camisas de cilindro

Info

Publication number: PT2052094T
Application number: PT77249365T
Authority: PT
Inventors: Pelsoeczy Laszlo
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2016-12-28
Also published as: BRPI0716492B1; EP2052094B1; BRPI0716492A2; US20100192895A1; WO2008019717A1; EP2052094A1; DE102006038670B4; US8241559B2; JP2010501044A; DE102006038670A1; JP5669392B2

Description

DESCRIÇÃO

MATERIAL DE AÇO COM ELEVADO TEOR DE SILÍCIO PARA A PRODUÇÃO DE ANÉIS DE SEGMENTO E CAMISAS DE CILINDRO A presente invenção é relativa a um material de fundição do aço com liga de silício, adequado em particular a anéis de segmento e camisas de cilindros. Além disso, a invenção é relativa a anéis de segmento e camisas de cilindro, compreendendo como corpo de base um material de aço deste tipo. A invenção é ainda relativa a um processo para a produção de um material de aço fundido com liga de silício.

Os anéis de segmento vedam a coluna que existe entre a cabeça do cilindro e a parede do cilindro em relação à câmara de combustão. No movimento ascendente e descendente do êmbolo, o anel de segmento desliza, por um lado, com a sua superfície circunferencial exterior com um encosto elástico constante contra a parede do cilindro, e, por outro lado, o anel de segmento desliza, devido aos movimentos basculantes do êmbolo, de modo oscilante na respetiva ranhura anular do êmbolo, ficando os seus flancos alternadamente encostados ao flanco superior ou inferior da ranhura anular do êmbolo. No caso dos parceiros de deslize que se movem uns contra os outros, ocorre, consoante o material, um desgaste mais ou menos forte, que, em caso de movimento em seco, pode levar ao denominado gripar do motor, à formação de estrias e, por último, à destruição do motor. De modo a melhorar o comportamento de deslize e de desgaste dos anéis de segmento relativamente à parede do cilindro, estes foram providos de revestimentos de diferentes materiais na sua superfície circunferencial.

Para a produção de peças sujeitas a grandes esforços dos motores de combustão interna, como é o caso, por exemplo, dos anéis de segmento, emprega-se sobretudo materiais de ferro fundido ou ligas de ferro fundido. Os anéis de segmento, em particular os anéis de compressão, são sujeitos a um esforço cada vez maior nos motores fortemente solicitados, entre outros, pressão de ponta da compressão, temperatura de combustão, EGR (reciclagem dos gases de escape), redução da película lubrificante, que influenciam substancialmente as suas propriedades de funcionamento, tais como desgaste, resistência a marcas de queimado, microssoldadura e poder anticorrosão. Assim, por exemplo o DE 3717297 revela um anel de segmento em ferro fundido como único material, com ferro fundido de solidificação branca apenas numa zona na sua superfície circunferencial externa, provocada pela sujeição do material de ferro fundido a uma radiação de maior densidade energética e com uma área intermédia sujeita a esforço térmico, formada entre o metal de base em ferro fundido e a zona de solidificação branca. No EP 0 821 073, revela-se uma liga de ferro fundido com uma estrutura de base perlítica e com precipitações de grafite esféricas ou vermiculares, que, devido aos valores de resistência mesmo no caso de elevadas temperaturas, pode em particular ser empregue em anéis de segmento. 0 JP 60-155645 é relativo a um aço forjado para travões de discos, entre outros com os teores C: 0,1-0,6%, Si: 0,8-5% e Ni: 0,2-5%, que deveriam conseguir um bom efeito de travagem, ao mesmo tempo que uma resistência ao desgaste e ao calor.

Os materiais de ferro fundido de acordo com o estado da técnica apresentam, contudo, um elevado risco de rotura, ocorrendo assim com frequência roturas dos anéis no caso da utilização dos materiais até à data. Maiores esforços mecânico-dinâmicos levam a tempos de vida mais curtos dos anéis de segmento ou das camisas dos cilindros. Ocorre igualmente um forte desgaste e uma corrosão na superfície de trabalho e no flanco.

Maiores pressões de ignição, emissões reduzidas, bem como a injeção direta de combustível significam maiores esforços para os anéis de segmento. Disto resultam danos e a formação de placas do material do êmbolo sobretudo no flanco inferior do anel de segmento.

Devido aos maiores esforços mecânicos e dinâmicos dos anéis de segmento, os fabricantes de motores continuam a exigir anéis de segmento de aço de grande qualidade (melhorado e de alta liga, como, por exemplo, o material 1.4112) . Os materiais de ferro com menos de 2,08% em peso de carbono são designados por aço. Caso o teor de carbono seja maior, em questão estarão ferros fundidos. Comparativamente ao ferro fundido, o material de aço tem melhores propriedades de resistência e de tenacidade, dado não surgirem problemas devido a grafite solta na matriz.

Emprega-se sobretudo aços com alta liga de crómio martensíticos na produção de anéis de segmento de aço. A utilização destes aços acarreta, contudo, a desvantagem de os custos de fabrico serem significativamente mais elevados do que no caso de componentes em ferro fundido. Consegue-se um baixo valor acrescentado, dado que o aço é comprado na forma de arame (material definido analiticamente) a fornecedores externos com um relativo elevado custo.

Os anéis de segmento de aço são produzidos a partir de arame perfilado. 0 arame perfilado fornecido é enrolado num rolo, é cortado e é puxado por um mandril "não circular" . Neste mandril, o anel de segmento toma a sua forma não circular pretendida por meio de um processo de recozimento, ajustando-se assim as forças tangenciais requeridas. Outra desvantagem da produção de anéis de segmento de aço é que, a partir de um certo diâmetro, deixa de ser possível a produção do anel (enrolamento) a partir de arame aço. Os anéis de segmento de ferro fundido são em contrapartida já fundidos com a forma não circular, apresentando logo desde o início uma forma ideal,

As desvantagens deste processo de fabrico de anéis de segmento de aço são a dependência relativamente ao fornecedor (dado existirem poucos fornecedores) e a falta de flexibilidade em termos de alterações ao material e da composição química, 0 ferro fundido tem uma temperatura de fusão fundamentalmente mais baixa do que o aço. A diferença pode ser, consoante a composição química, de até 350°C. Por isso, é mais simples a fusão e o vazamento do ferro fundido, visto que uma temperatura de fusão mais baixa significa uma temperatura de vazamento mais baixa e, com isso, uma menor contração aquando do arrefecimento, indo assim o material vazado apresentar menos rechupe ou fissuras devido a quente e frio. Além disso, uma temperatura de vazamento mais baixa leva a uma menor sobrecarga do material moldado (erosão, porosidades de gás, inclusões de areia) e do forno, e a custos de fusão mais baixos.

Por conseguinte, a presente invenção tem por objetivo disponibilizar um material de aço que, por meio da produção na fundição por gravidade, supere as propriedades do ferro fundido melhorado com grafite esferoidal em pelo menos um dos seguintes pontos:

Propriedades mecânicas como módulo E, resistência à flexão

Resistência à rotura

Solidez da forma

Desgaste do flanco

Desgaste da superfície de trabalho

Além disso, deverá ser possível produzir o material de aço com viabilidade económica com as mesmas técnicas empregues para a produção do ferro fundido.

Em conformidade com a invenção, atinge-se o objetivo por meio de um material de ferro fundido de acordo com a reivindicação 1, um anel de segmento de acordo com a reivindicação 2, uma camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 4 e um processo de acordo com a reivindicação 6. Nas reivindicações dependentes encontram-se formas de execução vantajosas da invenção. A temperatura de fusão do material de ferro não depende apenas do seu teor de carbono, mas também do "grau de saturação". Aplica-se a fórmula simplificada:

Quanto mais próximo o grau de saturação estiver de 1, mais baixa será a temperatura de fusão. No caso do ferro fundido, procura-se sobretudo um grau de saturação de 1,0, em que o ferro fundido apresenta uma temperatura de fusão de 1150°C. Consoante a composição química, o grau de saturação do aço é de aproximadamente 0,18. 0 aço eutéctico apresenta uma temperatura de fusão de 1500°C. 0 grau de saturação pode ser claramente influenciado pelo teor de Si e/ou de P. Por exemplo, um teor mais alto em 3% em peso de silício equivale a um teor 1% em peso mais alto de C. É assim possível produzir um material de aço com um teor de C de 1% em peso e 9,78% em peso de silício, que apresenta a mesma temperatura de fusão que o ferro fundido com um grau de saturação de 1,0 (C: 3,26% em peso, Si: 3,0% em peso).

Por meio do aumento drástico do teor de Si, aumenta-se o grau de saturação do material de aço e reduz-se a temperatura de fusão para o nível do ferro fundido. Desse modo, é possível produzir aço com a mesma técnica que também é empregue na produção de ferro fundido, por exemplo, GOE 44. 0 silício presente em maiores quantidades afeta negativamente a dureza do material, visto que aumenta a temperatura de transformação austenítica "Ac3". Para combater este "efeito do silício" negativo adiciona-se, de acordo com a invenção, níquel, que, como formador de austenita, amplia a área gama e faz descer a Ac3, sendo assim possível um endurecimento do aço contendo um elevado teor de silício.

Um material de aço de acordo com a invenção é caracterizado pela seguinte composição em % em peso: C: 0,5 a 1,2 Mo: 0,1 a 0,5 Nb :0a 0,005

Si: 3,0 a 10,0 Mn: 0,1 a 0,5 Ti: 0 a 0,01

Ni: 2,0 a 3,5 AI: 0 a 0,01 V: 0 a 0,05 P: 0 a 0,02 Co: 0 a 0,02 Sn: 0 a 0,05 S: 0 a 0,035 Cu: 0 a 0,05 Mg: 0 a 0,01

Cr: 0 a 3,0_

Restante: Fe e impurezas resultantes da produção, sendo que o material de aço não contém volfrãmio. 0 material de aço pode conter ainda pelo menos um elemento, que é selecionado do grupo composto por tântalo, boro, telúrio ou bismuto ou respetivas combinações, em particular numa quantidade de até 0,1% em peso.

Além disso, o material de aço pode conter pelo menos um aditivo, que é selecionado do grupo composto por alumínio, zircónio, antimõnio, cálcio, estrôncio, lantânio. cério, metais de terras raras ou respetivas combinações, de preferência numa quantidade de até 1% em peso. Os metais de terras raras, bem como NiMg, NiSiMg, FeMg ou FeSiMg, são empregues como agentes nucleantes e/ou para fins de desoxidação. É dada particular preferência à adição de FeSiMg. Os metais de terras raras também compreendem misturas de lantanídeos com óxidos de outros metais. Estes elementos e aditivos podem ser impurezas resultantes da produção ou podem ser adicionados à massa fundida durante o processo para a produção do material de aço de acordo com a invenção.

Os ingredientes encontram-se presentes de modo a que o total de todos os materiais de partida, componentes, ingredientes, elementos, aditivos referidos ou não referidos explicitamente perfaça sempre 100% em peso. Ê possível ajustar o teor de materiais de partida, componentes, ingredientes, elementos e aditivos por meio de diferentes processos conhecidos do especialista. Ajusta-se a composição química em particular em função da peça trabalhada a ser produzida. 0 material de aço de acordo com a presente invenção adequa-se em especial à produção de anéis de segmento e/ou camisas de cilindro. Em termos preferenciais, os anéis de segmento e as camisas de cilindro produzidos encontram-se revestidos nas superfícies dos flancos e/ou nas superfícies de trabalho. 0 material de aço de acordo com a invenção reduz a tendência das peças trabalhadas produzidas a partir dele de mudaram a sua forma sob grande calor e garante, assim, uma grande capacidade de rendimento a longo prazo e reduz além disso o consumo de óleo. 0 material de aço de acordo com a invenção adequa-se por isso, com base nas suas propriedades extraordinárias, em particular à produção de anéis de segmento no setor automóvel e no setor LB, ou para anéis de base de válvula e condutas. Além disso, é assim possível produzir vedantes para órgãos de rolamento, painéis de suporte para calços de travões de discos (black plates), bem como anéis para unidades frigoríficas, injetores de bomba, bem como camisas de cilindro {liner) e camisas de proteção ou peças para a indústria química. 0 material de aço de acordo com a invenção apresenta ainda a vantagem de a produção de, por exemplo, anéis de segmento de aço e camisas de cilindro de aço ser possível com as máquinas e tecnologias necessárias à produção de peças trabalhadas em ferro fundido. Além disso, os custos de produção correspondem aos dos anéis de segmento e camisas de cilindro em ferro fundido, o que proporciona ao fabricante uma vantagem em termos de custos e um melhor valor acrescentado. É igualmente possível ajustar os parâmetros do material de modo independente do fornecedor.

Em conformidade com a invenção, prepara-se ainda um processo para a produção de um material de aço, no qual uma massa fundida apresenta preferencialmente as composições químicas acima mencionadas.

Durante o processo de fundição num forno, preferencialmente num forno de cúpula, ajusta-se a composição química da massa fundida em função do necessário através da adição de ligas. A temperatura de fundição da massa fundida encontra-se entre 1480 e 1640°C. É possível controlar as propriedades da massa fundida ainda antes do vazamento ou durante o vazamento por meio de inoculação da massa fundida. Preferencialmente, emprega-se 650 g de FeSiMg e/ou 130 g de AI e/ou 650 g de FeSiZr por 130 kg da massa fundida como agente nucleante.

Em seguida, produz-se uma peça em bruto mediante a solidificação da massa fundida. A peça em bruto pode neste caso ser vazada pelos métodos conhecidos no estado da técnica, como, por exemplo, fundição centrífuga, fundição contínua, processo com prensa de estampar, processo de máscara de moldagem ou moldagem em areia verde como peça em bruto individual ou múltipla, pode ser em seguida tratada termicamente e ser posteriormente processada na forma de um anel de segmento ou de uma camisa do cilindro. 0 especialista escolherá o método adequado com base no fim a que se destina a peça em bruto e com base nos seus conhecimentos especializados gerais.

Preferencialmente, um tratamento térmico compreende um austenitização do material de aço nos 900 a 1000°C durante uma hora, uma têmpera do material de aço em óleo ou noutro meio de têmpera apropriado, e um recozimento do material de aço nos 420 a 470°C durante uma hora. 0 exemplo que se segue elucida a invenção sem a limitar.

Exemplo (de acordo com a invenção)

Com a aplicação do processo de acordo com a invenção, produz-se um material que apresenta a seguinte composição (% em peso): C: 1,05 MO: 0,487 Nb: 0,0027

Si: 5,91 Mn: 0,464 Ti: 0,0074

Ni: 2,94 Al: 0,0082 V: 0,0148 P: 0,0171 Co: 0,0141 Sn: 0,0082 S: 0,0285 Cu: 0,0433 W: 0 _Cr: 0,0331_

Restante: Fe e impurezas resultantes da produção. A temperatura de fundição é de 1560°C. A temperatura de vazamento é de 1448°C. A massa fundida é inoculada com 650 g de FeSiMg por 130 kg de massa fundida. A Tabela 1 mostra as propriedades mecânicas da peça em bruto de acordo com a invenção no estado melhorado.

As Figuras mostram

Fig. 1 um corte ampliado (100:1) de um material produzido pelo processo de acordo com a invenção,·

Fig. 2 um corte ampliado (500:1) do material da Fig. 1;

Fig. 3 um corte ampliado (1000:1) do material da Fig. 1. Tabela 1

Propriedades mecânicas no estado melhorado (de acordo com a DIN EN 10083-1, 10/96)

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, ο IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • DE 3717297 [0003] • EP 0821073 A [0003] • JP 60155645 A [0003]

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Material de aço com elevado teor de silício, em especial para anéis de segmento e camisas de cilindro, caracterizado pela seguinte composição em % em peso: C: 0,5 a 1,2 Mo: 0,1 a 0,5 Ti: 0 a 0,01 Si: 3,0 a 10,0 Mn: 0,1 a 0,5 V: 0 a 0,05 Ni: 2,0 a 3,5 Al: 0 a 0,01 Sn: 0 a 0,05 P: 0 a 0,02 Co: 0 a 0,02 Mg: 0 a 0,01 S: 0 a 0,035 Cu: 0 a 0,05 Cr: 0 a 3,0 Nb: 0 a 0,005 Restante: Fe e impurezas resultantes da produção, sendo que o material de aço não contém volfrâmio.
2. Anel de segmento, compreendendo, como corpo de base, um material de aço de acordo com a reivindicação 1.
3. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por estar ainda revestido nas superfícies dos flancos e/ou nas superfícies de trabalho.
4. Camisa de cilindro, compreendendo, como corpo de base, um material de aço de acordo com a reivindicação 1.
5. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 4, c: c.» t €5 r* r z cíi d a> jíí o it estar ainda revestida nas superfícies de trabalho.
6. Processo para a produção de um material de aço de acordo com a reivindicação 1, compreendendo as seguintes etapas: a. Produção de uma massa fundida, b. Vazamento num molde pré-fabricado, c. Tratamento térmico da peça em bruto.
7. Processo de acordo com a reivindicação 6, em que o tratamento térmico compreende as seguintes etapas: cl. Austenitização do material de aço nos 900 a 1000°C durante uma hora, c2. Têmpera do material de aço num meio de têmpera adequado, por exemplo, em óleo, c3. Recozimento do material de aço nos 420 a 470°C durante uma hora.