BRPI0916529B1

BRPI0916529B1 - Peças fundidas em liga de alumínio sujeitas a alta tensão mecânica

Info

Publication number: BRPI0916529B1
Application number: BRPI0916529-0A
Authority: BR
Inventors: Michel Garat
Original assignee: Rio Tinto Alcan International Limited
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2018-06-05
Also published as: EP2329053A1; SI2329053T1; DK2329053T3; US9982328B2; US20110126947A1; FR2934607A1; ES2625872T3; BRPI0916529A2; MX2011000739A; JP2011529529A; PT2329053T; EP2329053B1; FR2934607B1; KR101639826B1; HRP20170809T1; KR20110050652A; WO2010012875A1; LT2329053T; PL2329053T3; JP5437370B2

Description

(54) Título: PEÇAS FUNDIDAS EM LIGA DE ALUMÍNIO SUJEITAS A ALTA TENSÃO MECÂNICA (51) Int.CI.: C22C 21/02; C22C 21/04; C22F 1/04 (30) Prioridade Unionista: 30/07/2008 FR 08/04333 (73) Titular(es): RIO TINTO ALCAN INTERNATIONAL LIMITED (72) Inventor(es): MICHEL GARAT

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para PEÇAS FUNDIDAS EM LIGA DE ALUMÍNIO SUJEITAS A ALTA TENSÃO MECÂNICA.

Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a peças fundidas em liga de alumínio sujeitas a alta tensão mecânica e que trabalham, pelo menos em algumas de suas zonas, a altas temperaturas, em particular, cabeçotes de motores supercharged à diesel ou à gasolina.

Antecedentes da Técnica Relativa [002] A menos que estabelecido de forma diferente, todos os valores relativos à composição química estão expressos em percentual por peso.

[003] As ligas usadas geralmente para cabeças de cilindro de veículos motorizados produzidos em massa são por um lado ligas do tipo AlSi₇Mg e AlSi₁₀Mg, possivelmente “dopadas” pela adição de 0,50% a 1% de Cobre, e por outro lado ligas da família AlSi₅a AlSi_5-9Cu₃Mg. [004] As ligas do primeiro tipo, AlSi₇(Cu)Mg e AlSi₁₀(Cu)Mg com tratamento T5 (estabilização simples) e tratamento T7 (tratamento térmico de solução completa, têmpera e super envelhecimento) têm características mecânicas suficientes quando aquecidas até aproximadamente 250°C, mas não a 300°C, uma temperatura que contudo nunca será alcançada pelas válvulas-ponte da nova geração de motores diesel supercharged com um percurso comum, e mesmo os novos motores à gasolina duplamente supercharged. A 300°C , seu limite de elasticidade e sua resistência à fluência são particularmente baixos. Por outro lado, devido à sua boa ductillidade através da faixa de temperatura, da temperatura ambiente até 250°C, eles s uportam satisfatoriamente a fratura por fadiga térmica.

[005] Ligas do tipo AlSi₅ a AlSi_5-9Mg₀,_25-0,₅, que têm melhor resistência a temperatiura elevada, têm, em constraste, uma ductilidade

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2/24 baixa ou que as torna muito vulneráveis à fratura por fadiga térmica. [006] Elas são divididas em uma família de ligas com baixo teor de Ferro, tipicamente menor que 0,20%, conhecidas como ligas primárias (obtidas de uma fundição), que têm boa ductillidade a quente, mas permanecem frágeis à temperatura ambiente, e uma família de ligas conhecidas como ligas secundárias (obtidas de reciclagem) com um maior teor de 0,40% a 0,80% e algumas vezes 1%, que têm baixa ductilidade tanto à alta temperatura quanto à temperatura ambiente.

[007] Esses problemas foram descritos, por exemplo, no artigo de

R. Chuimert e M. Garat “Choice of aluminum casting alloys for diesel cylinder heads subjected to strong forces” pulicado na SIA review de março de 1990. Esse artigo resumiu as propriedades das três ligas examinadas como segue:

[008] - AlSi₅Cu₃Mg com baixo teor de Ferro (0,15%) e no estado

T7: resistência mecânica muito boa até 250°C, torna ndo-se média a 300°C, baixa ductilidade à temperatura ambiente, to rnando-se boa a 250°C e 300°C.

[009] - AlSi₅Cu₃Mg com alto teor de Ferro (0,7%) e no estado F (sem tratamento térmico): resistência mecânica média à temperatura ambiente, tornando-se relativamente mais alta a 250 e 300°C, ductilidade muito baixa através da faixa 20-300°C.

[0010] - AlSi₇Mg₀,₃ sem Cobre e com baixo teor de Ferro (0,15%) e no estado T7: boa resistência mecânica à baixa temperatura, tornando-se muito baixa a 250°C, ductillidade muito boa através da faixa 20300°C.

[0011] O progresso feito desde 1990 foi descrito no recente artigo de M. Garat e G. Lelaz “Improved aluminum alloys for diesel cylinder beads” publicado na revista “Hommes et Fonderie” de fevereiro de 2008. Em sua introdução, esse artigo esboça uma revisão das várias famílias de ligas usadas atualmente e sua relação com forças sofridas

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3/24 e as arquiteturas das cabeças de cilindro modernas. Ele apresenta os desenvolvimentos recentes no campo das ligas:

[0012] - Liga AlSi₇Mg₀,₃, com a adição de 0,50% de Cobre e no estado T7, uma solução amplamente usada hoje em dia na indústria, fornece um ganho muito perceptível (+ 20%) de limite de elasticidade a 250°C, sem perda de alongamento. Mas o ganho fornecido por essa pequena adição de Cobre é completamente perdido a 300°C.

[0013] A adição de 0,15% de Zircônio na mesma liga torna possível melhorar levemente a resistência à tração a 300°C (+ 10%) e especialmente atrasar a fluência terciária à mesma temperatura a uma tensão de 22 MPa.

[0014] - Um novo tipo de liga AlSi7Cu3,5MnVZrTi sem Magnésio foi examinada e caracterizada. Ela tem excelentes propriedades de resistência mecânica a quente a 300°C e uma ductillidade muito boa através da faixa 20-300°C, mas baixo limite de elastici dade à temperatura ambiente, (cerca de 190 a 235 MPa dependendo do seu teor exato de Cobre). Essa liga está em conformidade com as patentes FR 2 857 378 e EP 1 651 787 pelo requerente.

[0015] Os resultados desses últimos desenvolvimentos estão resumidos na tabela 1 abaixo (resistência à tração R_m em MPa, limite de elasticidade R_p0,₂ em MPa e alongamento na fratura A como uma oircentagem, σ representando a tensão em MPa levando a uma deformação de 0,1% após ser mantido à mesma temperatura por 100 horas):

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Tabela 1

Liga	Estado	20°C	250°C	300°C
Rp0,2	Rm	A		Rp0,2	Rm	A		Rp0,2	Rm	A
AlSi₇Mg₀,₃Ti (Fe 0,15 , primária)	T6	211	295	15,7	57	69	29	40-45	41	53	32	22
AlSi₇Mg₀,₃Ti (Fe 0,15 , primária)	T7	257	299	9,9	55	61	34,5	38,8	40	43	34,5	21,7
AlSi₇Mg₀,₃Ti (Fe 0,15 , primária)	T7	275	327	9,8	66	73	34,5	39,5	0	44	34,6	21,8
AlSi₅Cu₃Mg₀,₃ (Fe 0,7 , secundária)	F	172	237	2,1	107	133	5,8	53	60	86	12	26
AlSi₇Cu₃Mg₀,₃ (Fe 0,44, secundária)	T5	209	282	1,8	70	110	17		40	65	8,5
AlSi₅Cu₃Mg₀,₂₅Ti (Fe 0,15, primária)	T7	311	358	2,5	92	111	16	60	47	62	30	26
AlSi₇Cu₃,₃MnVZrTi (sem Mg, primária)	T7	195	335	8,0	95	124	19		66	75	26
AlSi₇Mg₀,₃Ti (Fe 0,15, primária)	T7	234	368	6,0	102	133	19		63	77	26	31,8

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5/24 [0016] Pesquisas mais recentes executadas pelo requerente, e não publicadas até agora, mostraram que a resistência à fadiga de baixo ciclo (alta tensão e, consequentemente, baixo número de ciclos) desse tipo de liga sem Magnésio foi definitivamente menor que o da liga AlSi₇Cu₀,₅Mg0,₃, que é uma maior desvantagem devido ao fato de que cabeças de cilindro sofrem forças alternadas a tensões muito altos próximos do limite de elasticidade, em particular devido ao ciclo térmico relativo a como o motor trabalha.

[0017] As curvas Wohler nas figuras 1, 2 e 3 representam a resistência à fadiga na tensão (com uma probabilidade de fratura de sucessivamente 5% mostrada cm uma linha clara à esquerda, 50% como uma linha escura no meio e 95% como uma linha clara à direita conforme o número de ciclos.

[0018] Parece definitivamente que o número de ciclos de falha, para níveis de tensão de cerca de 250 MPa, é limitado a aproximadamente 1000 a 2000 ciclos para novas ligas sem Magnésio (figuras 2 e

3) quer o nível de Cobre seja 3,3% ou 3,8%, contra pelo menos 20000 para a liga AlSi₇Cu₀,₅Mg₀,₃.

[0019] Na fadiga de alto ciclo, sob uma tensão inferior, cerca de 150 MPa, a resistência das duas famílias se torna similar, e a pesquisa publicada n artigo da revista “Hommes et Fonderie” de fevereiro de 2008 mostrou que os limites de tensão a 10 milhões de ciclos em espécimes de teste foram ainda maiores para as ligas AlSi₇Cu₃,₅MnVZrTi sem Magnésio, ou entre 123 e 138 MPa contra 115 MPa para a liga ^AlSi7^Cu0,5^Mg0,3^.

O problema [0020] Levando em conta essas considerações, parece claramente que, em relação à fadiga, é sentida uma necessidade óbvia de melhorar grandemente a resistência à fadiga de baixo ciclo sem degradar a resistência à fadiga de alto ciclo.

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6/24 [0021] Dado em adição que, em futuros motores diesel com percurso comum ou motores a gasolina supercharged, as câmaras de combustão dos cabeçotes, e em particular as válvulas-ponte, alcançarão ou excederão 300°C, e sofrerão pressões maiores que nas gerações de motores anteriores, parece que nenhum dos tipos conhecidos de liga fornece satisfatoriamente a combinação de propriedades desejadas, a saber:

- alto limite de elasticidade da temperatura ambiente até

300°C,

- alta resistência à fadiga de baixo ciclo,

- alta resistência à fadiga de alto ciclo,

- alta resistência à fluência a 300°C,

- boa ductilidade através da faixa da temperatura ambiente até 300°C (alongamento mínimo de 3% à temperatura a mbiente, 20% a 250°C e 25% a 300°C).

Objeto da Invenção [0022] O objeto da invenção é, portanto, uma peça fundida com resistência mecânica e resistência à fluência a quente, em particular em torno de 300°C ou, ainda mais, combinado com um alto limite de elasticidade à temperatura ambiente e alta resistência à fadiga mecânica de baixo ciclo e de alto ciclo, e com boa ductilidade da temperatura ambiente até 300°C, feita de liga de alumínio de composição química expressa em percentual em peso:

Si: 3 - 11%, preferivelmente 5,0 - 9,0%

Fe: < 0,50%, preferivelmente < 0,30%, ainda mais preferivelmente < 0,19%, ou até 0,12%

Cu: 2,0 - 5,0%, preferivelmente 2,5 - 4,2%, ainda mais preferivelmente 3,0 - 4,0%

Mn: 0,05 - 0,50%, preferivelmente 0,08 - 0,20%

Mg: 0,10 - 0,.25%, preferivelmente 0,10 - 0,20%

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Zn: < 0,30%, pereferivelmente < 0,10%

Ni: < 0,30%, preferivelmente < 0,10%

V: 0,05 - 0,19%, preferivelmente 0,08 - 0,19%, ainda mais preferivelmente 0,10 - 0,19%

Zr: 0,05 - 0,25%, preferivelmente 0,08 - 0,20%

Ti: 0,01 - 0,25%, preferivelmente 0,05 - 0,20% [0023] Possivelmente elemento(s) para modificar eutéticos escolhido^) entre Sr (30 - 500 ppm), Na (20 - 100 ppm), e Ca (30 - 120 ppm), ou elementos para refinar eutéticos, Sb (0,05 - 0,25%), outros elementos < 0,05% cada e 0,15% no total, o restante sendo alumínio.

Descrição das Figuras [0024] A figura 1 mostra as curvas Wohler, isto é, a resistência à fadiga na tensão (com uma probabilidade de fratura de sucessivamnente 5% mostrada como uma linha clara à esquerda, 50% como uma linha escura no meio e 95% como uma linha clara à direita) conforme o número de ciclos para a liga AlSi₇Cu₀,₅Mg₀,₃.

[0025] A figura 2 mostra as mesmas curvas para as ligas AlSi₇Cu₃,₅MnVZrTi não contendo Magnésio, contendo 3,3% de Cobre. [0026] A figura 3 mostra as mesmas curvas para as ligas AlSi₇Cu₃,₅MnVZrTi sem Magnésio, contendo 3,8% de Cobre.

[0027] A figura 4 mostra a variação das características mecânicas estáticas R_m, R_p0,₂ e A % à temperatura ambiente de acordo com o teor de Magnésio para as várias ligas com teor de Cobre de 3,5% testadas como “exemplos”, as chaves para as marcas de referência aparecendo à direita da figura conforme os índices A a T de acordo com a tabela 3. As séries de resultados R_p0,₂, R_m e A% marcadis “A a K HIP 2” correspondem aos testes complementares na parte de baixo da tabela 3. [0028] A figura 5 corresponde à mesma representação para um teor de cibre de 4%.

[0029] A figura 6 mostra as curvas Wohler, isto é, a tensão de fraPetição 870170061465, de 23/08/2017, pág. 12/35

8/24 tura F à temperatura ambiente conforme o número de ciclos Nc (escala logarítmica), a média obtida para ligas com teores de Cobre de 3,5% testadas como “exemplos” e conforme seu teor médio de Mg de 0,05 a 0,10%.

[0030] A figura 7 mostra a variação nas características mecânicas estáticas R_m e R_p0,₂ a 300°C conforme o teor de Magnésio para as várias ligas com teor de Cobre de 3,5% testadas como “exemplos” e conforme seu teor de Vanádio de 0 e 0,19%, de acordo com os valores dados na tabela 3.

[0031] A figura 8 apresenta os resultados dos testes de fluência a 300°C dados na tabela 5, a saber, dobramento como u m percentual obtido com uma tensão de 30 MPa conforme o tempo h do teste de 0 a 300 horas e para vários teores de Magnésio e Vanádio indicado à direita da figura. R mostra a zona de fratura que ocorre antes de 300 horas apenas no caso da composição V = 0%, Mg = 0,10%.

[0032] A figura 9 as curvas de análise entálpica diferencial das ligas AlSi₇Cu₃,₅MnVZrTi (curvas inferiores) e AlSi₇Cu₄,₀MnVZrTi (curvas superiores) e para vários teores de Magnésio, de 0,07 a 0,16%.

[0033] A figura 10 mostra a solubilidade S do Vanádio no equilíbrio conforme a temperatura T do banho de liga AlSi7Cu3,5MgMn0,30Zr0,20Ti0,20 compreendendo um teor inicial de Vanádio de 0,28% introduzido e solubilizado a 780°C.

Descrição da Invenção [0034] A invenção é baseada na observação feita pelo requerente de que é possível fornecer grandes melhorias nas características referidas acima da liga AlSi₇Cu₃,₅MnVZrTi, mantidas com as patentes FR 2 857 378 e EP 1 651 787 pelo aplicante e, portanto, para resolver o problema objetivo, de duas formas complementares: a adição de uma pequena quantidade de Magnésio e uma adição combinada de Vanádio-Magnésio.

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9/24 [0035] A adição de uma pequena quantidade de Magnésio, de 0,10 a 0,20%, torna possível aumentar consideravelmente não apenas o limite de elasticidade à temperatura ambiente, mas também a resistência à fadiga de baixo ciclo, enquanto preserva um grau satisfatório de alongamento. O requerente defendeu a hipótese de que essa pequena adição de Magnésio torna possível formar uma fração de fase endurecedora Q-Al₅Mg₈Si₆Cu₂, que é mais efetiva na resistência a frio que a fase Al₂Cu formada na ausência de Magnésio, mas que a predominância definida de Cobre (tipicamente 3,5%) em relação ao Magnésio significa que a quantidade da fase Al₂Cu, em contraste mais efetivo para resistência a quente, não é significativamente reduzida pela adição de Magnésio, de forma que as propriedades quando a quente (tipicamente a 250 e 300°C) não são deterioradas.

[0036] A tabela 2 abaixo indica, de acordo com a quantidade de Magnésio adicionada, as quantidades de fases endurecedoras Al₂Cu e Q- Al₅Mg₈Si₆Cu₂ formadas na base AlSi₇Cu₃,₅MnVZrTi, no equilibrio a 200°C, após o tratamento térmico por solução seguid o de têmpera. Os valores (expressos nesse caso como percentual atômico) são calculados usando-se o software de simulação termodinâmica “Prophase” desenvolvido pelo requerente.

Tabela 2

Mg (% em peso)	0,00	0,05	0,07	0,10	0,14	0,19
Al2Cu	4,26	4,23	4,22	4,19	4,16	4,12
Q-Al5Mg8Si6Cu2	0,00	0,15	0,23	0,35	0,49	0,67

[0037] Como aparecerá nos exemplos e nas figuras a seguir que explicam esses resultados, em particular a figura 4, o ganho em termos de limite de elasticidade a 20°C é substancialmente 100 MPa (movendo-se de 200 a aproximadamente 300 MPa) com uma adição de apenas 0,10%, [0038] Então, bastante inesperadamente, o efeito do Magnésio

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10/24 não é absolutamente linear na faixa 0 a 20%: ele é insignificante entre 0 e 0,05%, intenso entre 0,05 e 0,10%, e um platô é então observado até um teor de 0,20%.

[0039] Por outro lado, também surpreendentemente, o alongamento é reduzido apenas de 9 para 6% por esse aumento no teor de Magnésio (nas condições de referência de ligas A a K com tratamentos HIP e T7, para um teor de Cobre de 3,5%).

[0040] A mesma ausência de linearidade e o platô de 0,10 a substancialmente 0,20% (ainda na figura 4) são novamente observados. [0041] Esse mesmo platô, como função do teor de Mg entre 0,10 e substancialmente 0,20%, é também observado no caso de um teor de Cobre de 4,0% conforme mostrado na figura 5.

[0042] Simultaneamente, o ganho na resistência à fadiga de baixo ciclo é bastante considerável conforme mostrado na figura 6.

[0043] Para tensões de 220 e 270 MPa, o tempo de vida dos espécimes de teste submetidos a uma força de tensão alternada (isto é, com uma razão R = tensão mínima/tensão máxima de -1) é multiplicado substancialmente por 10 pela adição de 0,10% de Magnésio.

[0044] Aqui também o efeito não é absolutamente linear, os resultados para um teor de Magnésio de 0,05% não sendo diferentes daqueles obtidos para um teor estritamente zero.

[0045] Em relação à resistência à fadiga de alto ciclo (baixa tensão de cerca de 120 a 140 MPa), o Magnésio não tem mais um efeito notável no limite de resistência, cerca de 130 MPa a 10⁷ ciclos, mais uma vez conforme a figura 6.

[0046] Quanto às características mecânicas estáticas a 250°C e 300°C, conforme é mostrado na figura 7 em particula r, em relação às características a 300°C, essas são apenas levemente modificadas por essa adição e permanecem excelentes. Um certo ganho é mesmo para ser notado no limite de elasticidade R_p0,₂ a 300°C sem qualquer

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11/24 perda de alongamento.

[0047] No caso de peças para as quais o alongamento a frio não é crítico, teores de até 0,45% podem ser tolerados, enquanto, para preservar uma certa ductilidade a frio, até 0,25%, e melhor ainda, até 0,20% podem ser permitidos.

[0048] Finalmente, as ligas do tipo AlSi₅Cu₃ e AlSi₇Cu₃ de acordo com a invenção, com um teor de Magnésio relativamente baixo, ou até substancialmente 0,20%, diferentemente das ligas com maior teor de Magnésio, tipicamente de 0,25 a 0,45%, não têm o eutético quaternário final Al-Si-Al₂Cu-Al₅Mg₈Si₆Cu₂, fundindo a 507°C conforme os diagramas de fase por H. W. L. Philips (Equilibrium Diagrams of Aluminum Alloy Systems. The Aluminum Development Association Information Bulletin 25. London, 1961) ou a 508°C conforme outros autores. Seu ponto de fusão inicial determinado pela análise entálpica diferencial (DEA) é substancialmente 513°C, conforme mostrado na figura 9. [0049] Isto torna possível aplicar um tratamento térmico de solução a 505°C, tipicamente entre 500 e 513°C, sem ris co de queima, com equipamento padrão de tratamento térmico, enquanto as ligas da técnica anterior são tratadas a 500°C no máximo, e a 495°C em geral. [0050] Mas um segundo componente dessa invenção está em combinar uma adição de Vanádio com a adição acima mencionada de Magnésio.

[0051] Bastante surpreendentemente, o requerente observou a existência de uma forte interação entre o Magnésio e o Vanádio no limite de elasticidade e ainda maior na resistência à fluência a 300°C. [0052] De fato, como é sabido, esses dois lementos não agem por meio de absolutamente o mesmo mecanismo metalurgico e esses mecanismos de fato agem de formas completamente opostas.

[0053] Por outro lado, o Magnésio, um elemento eutético com um forte coeficiente de difusão, toma parte no endurecimentoi estrutural

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12/24 após o envelhecimento, através da formação de fases intermetálicas coerentes com a matriz de alumínio, de fato através da fase Q mencionada acima, mas ela perde gardativamente seu efeito endurecedor pela coalescência da mencionada fase a 300°C e acim a.

[0054] Por outro lado, e reciprocamente, o Vanádio, um elemento peritético com um coeficiente de difusão muito baixo, está presente em uma solução sólida enriquecida nos núcleos de dendrita e pode possivelmente precipitar na forma de dispersoides apenas semicoerentes Al-V-Si que permanecem estáveis a temperaturas maiores que 400°C. [0055] Os resultados dos exemplos mostram, entretanto, que as ligas que combinam um teor de Magnésio de 0,10 a 0,19% e um teor de Vanádio de 0,17, 0,19 ou 0,21% resistem consideravelmente melhor que aquelas que contêm apenas Vanádio ou apenas Magnésio. Isto está perfeitamente mostrado pela figura 7, em relação às características mecânicas estáticas, e pela figura 8 para a resistência à fluência.

[0056] É possível adicionar-se mais de 0,21% de Vanádio e é benéfico para a resistência à fluência, mas a solubilidade do Vanádio na liga líquida é limitada. O requerente executou testes em profundidade para determinar a solubilidade do Vanádio de acordo com a temperatura do banho de metal fundido, em uma liga conforme a invenção, do tipo AlSi₇Cu₃,₅MgMn₀,₃Zr₀,₂₀Ti₀,₂₀ contendo inicialmente 0,28% de Vanádio introduzido e solubilizado a 780°C. A solubil idade no equilíbrio conforme a temperatura de retenção do banho está mostrada na figura

10.

[0057] Deve ser notado daí que, para manter em solução um nível de 0,25% de Vanádio, o banho deve ser mantido a uma temperatura de pelo menos 745°C, isto é, um valor relativamente alto para uma fundição em molde-concha (molde metálico permanente) de cabelas de cilindro por gravidade ou a baixa pressão.

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13/24 [0058] Níveis de 0,21% e, ainda melhor, 0,17%, permitem que o banho seja mantido a 730 ou 720°C, o que é muito ma is compatível com os mencionados processos de fundição.

[0059] Como não é observada nenhuma redução na resistência à fluência quando o teor de Vanádio é reduzido de 0,21% para 0,17%, uma redução adicional na quantidade de Vanádio uma possibilidade maior: para fundir as peças sob consideração usando o processo de “baixa pressão” no qual a temperatura do banho pode ser de apenas 680°C, um teor de Vanádio de 0,08% a 0,10% deve ser adotado (figura 10). Para peças fundidas “sob pressão” que são tratáveis termicamente, por exemplo, no vácuo, as temperaturas de retenção convencionais desse processo são ainda menores que 680°C e um teor de Vanádio de 0,05% é então concebível.

[0060] Em relação a outros elementos que compõem o tipo de liga conforme a invenção, seus teores são justificados pelas seguintes considerações:

[0061] Silício: este é essencial para obter boas propriedades de fundição, tais como fluidez, ausência de ruptura a quente, e alimentação adequada das cavidades de contração. Para um teor inferior a 3%, essas propriedades são insuficientes para fundição com molde-concha enquanto para teores acima de 11% o tubo de contração é muito concentrado e o alongamento é muito baixo. Em adição, um compromisso geralmente considerado como ótimo entre essas propriedades e a ductilidade varia entre 5 e 9%. Essa faixa corresponde à maioria das aplicações dos tipos de cabeças de cilindro de motores de combustão interna.

[0062] Ferro: É bem sabido que esse elemento reduz significativamente o alongamento de ligas do tipo Al-Si. Os exemplos descritos abaixo confirmam isso no caso da invenção. Dependendo do tipo de tensão termomecânica sofrido por cada modelo de peça em particular,

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14/24 um nível adequado de tolerância de Ferro pode ser escolhido, sabendo-se que “alta pureza”, em particular em relação ao Ferro, é um fator de impacto no custo. Para pelas nas quais o alongamento a frio não é crítico, teores de até 0,50% podem ser tolerados, enquanto, para preservar uma certa ductilidade a frio, teores de até 0,30% podem ser permitidos, e para peças que sofrem uma grande quantidade de tensão inclusive para trabalho a frio, um máximo de 0,19% deve ser preferido, um nível especificado pela norma francesa EN 1706 para ligas com altas características EN Ac-21100, 42100, 42200 e 44000, e melhor ainda 0,12%.

[0063] Cobre: O teor de Cobre de tais ligas resistentes ao calor está convencionalmente na faixa de 2 a 5%. Preferivelmentem a faixa entre 2,5%, para garantir um limite de elasticidade suficientemente alto e resistência à temperatura elevada, e 4,2%, o limite de solubilidade aproximado de Cobre em uma base contendo de 4,5 a 10% de Silício e até 0,25% de Magnésio, serão escolhidos, com tratamento térmico em solução a uma temperatura menor ou igual a 513°C. Os exemplos descritos abaixo mostram que aumentar o teor de Cobre de 3,5 a 4,0% resulta em um ganho de cerca de 30 MPa em termos de limite de elasticidade e 15 MPa para resistência final à tração, mas também em uma perda de 1% para o alongamento, como mostra a comparação entre as figuras 4 e 5. Levando em conta esses resultados e a necessidade, no caso de cabeças de cilindro que sofrem uma grande quantidade de tensão, para um bom compromisso entre resistência e ductilidade, a faixa mais adequada para o Cobre parece ser de 3 a 4%, [0064] Manganês: Das pesquisas prévias descritas no artigo acima mencionado publicado em “Hommes et Fonderie” de fevereiro de 2008, o requerente já identificou que um teor de Manganês de 0,08% a 0,20% melhorou o efeito do Zircônio na resistência à fluência a 300°C. [0065] Em adição, na suposição de um teor de Ferro razoavelmenPetição 870170061465, de 23/08/2017, pág. 19/35

15/24 te alto, cerca de 0,30% e melhor ainda 0,50%, a adição de até 0,50% de Manganês torna possível converter a fase Al₅FeSi acicular e frágil em uma assim chamada fase “Chinese script” quaternária e menos frágil Al₅(Fe,Mn)Si₂.

[0066] Zinco: Se for escolhido usar a variante com um alto teor de Ferro, até 0,50%, é necessário, para capitalizar nessa escolha, tolerar também um teor de Zinco de até 0,30%. No caso preferido em que uma liga com alto teor de pureza de Ferro, de origem primária, é usado, o teor de Zinco pode vantajosamente ser limitado a 0,10%.

[0067] Níquel: assim como com o Zinco, esse elemento, que reduz bastante substancialmente o alongamento, pode ser tolerado a um teor de até 0,30% em uma liga com um teor de Ferro de até 0,50%, mas será preferivelmente limitado a 0,10% quando for necessária uma alta ductilidade.

[0068] Zircônio: durante pesquisa anterior o requerente já indetificou o efeito positivo do Zircônio na resistência à fluência quando quente através da formação de fases dispersoides estáveis do tipo AlSiZrTi. Esse efeito é particularmente sublinhado nas patentes FR 2 841 164 e FR 2 857 378 pelo requerente que reivindica uma faixa de 0,05 a 0,25% e, na segunda, preferivelmente 0,12 a 0,20%. Um teor variando de 0,08 a 0,20% é um compromisso equilibrado, dado que um teor muito alto, de cerca de 0,25%, leva a fases primárias brutas e frágeis, e que um teor muito baixo prova ser insuficiente em relação à resistência à fluência.

[0069] Titânio: esse elemento age conforme dois modos conjuntos. Ele ajuda a refinar o grão de alumínio primário, e também contribui para a resistência à fluência, conforme identificado na patente FR 2 841 164, tomando parte na formação de fases dispersoides AlSiZrTi. Esses dois objetivos são simultaneamente atingidos por teores que variam entre 0,01 e 0,25%, e preferivelmente entre 0,05 e 0,20%.

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16/24 [0070] Elementos que modificam ou refinam o eutético AlumínioSilício: Modificação eutética é geralmente desejável para melhorar o alongamento das ligas Al-Si. Essa modificação é obtida pela adição de um ou mais dos elementos Estrôncio (de 30 a 500 ppm), sódio (de 20 a 100 ppm) ou Cálcio (de 30 a 120 pm). Uma outra forma de refinar o AlSi eutético é adicionar antimônio (de 0,05 a 0,25%).

[0071] Tratamento térmico: Peças fundidas conforme a invenção são geralmente submetidas a tratamento térmico compreendendo tratamento térmico em solução, têmpera e envelhecimento. No caso de cabeçotes de motores de combustão interna, é geralmente usado um tratamento do tipo T7, incluindo superenvelhecimento que tem a vantagem de estabillizar a peça. Mas para outras aplicações, em particular uma inserção para uma peça quente ou uma peça fundida, o tratamento do tipo T6 também é possível.

[0072] Os detalhes da invenção serão melhor compreendidos com a ajuda dos exemplos abaixo que, no entanto, não são restritivos em seu escopo.

Exemplos [0073] Em um forno elétrico de 120 kg com um cadinho de carboneto de Silício, uma série de ligas de alumínio foi produzida e fundida na forma de corpos de prova (espécime de teste do tipo molde-concha bruto de 18 mm conforme a norma francesa AFNOR NF-A57702). Essas ligas têm a seguinte composição:

Si: 7%

Fe: 0,10% exceto fundição T a 0,19%

Cu: dois níveis 3,5% e 4%, vide tabela 3 abaixo Mn: 0,15%

Mg: variando de 0 a 0,19%, vide tabela 3 Zn: < 0,05%

Ti: 0,14%

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V: quatro níveis 0,00%, 0,17%, 0,19% e 0,21%, vide tabela 3

Zr: 0,14$

Sr: 50 a 100 ppm [0074] Alguns dos espécimes de teste fundidos sofreram pressão isostática a quente (conhecida pelos especialistas pelo nome de “HIP”), por 2 horas a 485°C (+/- 10°C) e 1000 bar.

[0075] Todos os espécimes de teste sofreram então tratamento térmico T7 adequado à sua composição, a saber:

- Tratamento térmico em solução por 10 horas a 515°C para ligas sem Magnésio (fundidos A, D e G) e por 10 horas a 505°C para ligas contendo 0,05% a 0,19% dfe Magnésio (fundidos B, C, E, F, H, K e L a T).

- Resfriamento a água a 20°C

- Envelhecimento por 5 horas a 220°C para ligas sem Magnésio (fundidos A, D e G), por 4 horas a 210°C para as ligas B, C, E, F, H K e por 5 horas a 200°C para as ligas L a T.

[0076] Os fundidos D, G, F e K foram também caracterizados à temperatura ambiente com apenas um tratamento térmico por 10 horas a 515°C para D e G sem Magnésio e por 10 horas a 505°C para F e K com 0,10% de Magnésio, seguido pelos quatro fundidos pelo resfriamento a água a 20°C e 5 horas de envelhecimento a 200°C de modo a ser mais diretamente comparável com os fundidos L a T.

[0077] Em outra variante de tratamento térmico, o tratamento térmico em solução das ligas L a T é encurtado para 5 horas, ao invés de 10 horas, [0078] As características mecânicas foram medidas nas seguintes condições:

- à temperatura ambiente, no caso do corpo de prova AFNOR mencionado previamente, usinado até 13,8 mm, a base de

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18/24 medição do alongamento 69 mm, nas condições estabelecidas na norma EN 10002-1.

- a 250 e 300°C, o corpo de prova sendo retirado da mesma amostra concha AFNOR de 18 mm de diâmetro, então usinada até o diâmetro de 18 mm e previamente preaquecida por 100 horas até a temperatura sob consideração de forma que o volume da mudança estrutural seja alcançado, e então estirado a 250 ou 300°C na condição estabelecida na norma EN 10002-5 [0079] A resistência à fadiga mecânica à temperatura ambiente foi medida em tensão-compressão, com uma razão R (tensão mínima/máxima) de -1 para espécimes de teste redondos de diâmetro 5 mm, também usinados a partir de amostras revestidas AFNOR.

[0080] Os testes de fluência a 300°C foram executad os em corpos de prova usinados até um diâmetro de 4 mm das mesmas amostras AFNOR, preaquecidas a 300°C por 100 horas antes do teste em si. [0081] Isto envolveu submeter o corpo de prova a uma tensão constante igual a 30 MPa por até 300 horas e registrar o dobramento A como uma porcentagem do corpo de prova. É óbvio que quanto menor esse dobramento, melhor é a resistência à fluência da liga. Os corpos de prova fundidos da liga que dão o menor resultado de fluência, ou composição C sem Vanádio, de fato fraturam bem antes de 300 horas, com o dobramento na fratura variando entre 2,4 e 4%, o que é mostrado pelo retângulo R na figura 8.

[0082] Os resultados dos testes de tração a 20, 250 e 300°C estão indicados na tabela 3 (resistência à tração R_m em MPa, e alongamento na fratura A como uma porcentagem) para as ligas cuja composição está também mostrada na tabela 3, os dos testes de fadiga à temperatura ambiente na tabela 4 (tensãos F em MPa), e os dos testes de fluência na tabela 5 (alongamento A como porcentagem de acordo com o tempo de retenção H 300°C, de 0 a 300 horas, a 30 MPa). Eles são

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19/24 mais fáceis de interpretar com a ajuda das curvas das figuras 4 a 8. [0083] Em relação às características mecânicas estáticas (figura 4) e à resistência à fadiga mecânica à temperatura ambiente (figura 6), para ligas com um teor de Cobre de 3,5%, o efeito intenso e não linear do Magnésio pode ser visto muito claramente. Embora praticamente nulo entre 0 e 0,05%, ele é muito forte entre 0,05 e 0,10%. O limite de elasticidade então aumenta em substancialmente 100 MPa enquanto a vida de fadiga de baixo ciclo na faixa variando de 220 a 270 MPa é multiplicada por quase 10. De 0,10% a 0,19%, é então observado um platô completamente inesperado de características mecânicas estáticas à temperatura ambiente. Como pode ser esperado, o Vanádio, em contraste, não tem qualquer efeito notável nessas duas propriedades medidas à temperatura ambiente.

[0084] O aumento no teor de Cobre de 3,5 para 4,0% resulta em um ganho de cerca de 30 MPa para o limite de elasticidade e 15 MPa para a resistência à tração final, mas também em uma perda de 1% no alongamento, como mostra uma comparação entre as figuras 4 e 5. [0085] Em relação às caracteristicas mecânicas a 300°C, um objetivo particular do novo tipo de liga conforme a invenção, pode ser notado da tabela 3 que a ductilidade é muito alta (maior que 25% para todos os casos com tratamento térmico em solução de 10 horas).

[0086] A figura 7 indica adicionalmente que adições unidas de Magnésio a uma taxa de entre 0,07 e 0,19% e Vanádio a uma taxa de entre 0,17 e 0,21% tornam possível melhorar o limite de elasticidade em substancialmente 8%.

[0087] Em relação à resistência à fluência a 300°C, os resultados na tabela 5 são ainda mais divergentes:

- Liga C contendo 0,10% de Magnésio, mas sem Vanádio, não dura por 300 horas a 300°C e 30 MPa; ela se fratura entre 150 e 200 horas, com dobramento variando entre 2,4 e 4%;

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- Liga G, sem Magnésio, mas contendo 0,21% de Vanádio, dura por 300 horas, mas mostra um dobramento médio final de 2,83%.

- Ligas F e K, ambas contendo 0,10% de Magnésio, e a primeira 0,17% de Vanádio e a segunda 0,21%, têm comportamento virtualmente idêntico, funcionando muito melhor que G e C; nenhuma fratura é notada, o dobramento médio é de apenas 0,60 e 0,54%, que não é significativamente diferente levando-se em conta a discrepância entre os espécimes de teste.

[0088] A figura 8 torna possível visualisar melhor a escala de interação entre Vanádio e Magnésio na resistência à fluência a 300°C. [0089] Os resultados desses testes também mostram que o tratamento “HIP”, que reduz ou destrói a microporosidade, certamente melhora o alongamento por causa disto, em aproximadamente 1% à temperatura ambiente, mas também “amolece” levemente as ligas; os limites de elasticidade são sistematicamente menores, como as figuras 4 e 5 mostram, particularmente para um teor de Magnésio de 0,07% na vizinhança do dobramento na curva.

[0090] O aumento no teor de Ferro de 0,10 a 0,19% reduz o alongamento à temperatura ambiente em aproximadamente 30% como valor relativo, com ou sem tratamento “HIP”; isto aparece claramente ao se comparar o nível do platô para um teor de Magnésio de 0,11 a 0,19% das ligas Q - R - S com o da liga T na tabela 3. A 250 e 300°C, entretanto, o efeito desse mesmo aumento se torna insignificante. [0091] A redução do tempo de tratamento térmico em solução de 10 para 5 horas não afeta notavelmente as características das ligas M - NR - O, embora essas sejam altamente carregadas com Cobre, características que correspondem ao platô da figura 5. Uma redução mais drástica, para meia hora, é concebível, em particular devido às possibilidades oferecidas pelo tratamento térmico em solução em um leito fluidizado.

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Tabela 3

COM	POSIÇÕES E CARACTERÍSTICAS MECÂN	ICAS DAS LIGAS EXAMINADAS
	Tratamento	Propriedades a 20°C				Propriedades a 300Ό
		Rp0,2 Rm A%				Rp0,2 Rm A%
Liga	Térmico				Propriedades a 250°C Rp0,2 Rm A%					Cu	Mg	V	Fe
A	HIP + T7 (10 h)	187	334	10,2	81	112	25	49	67	33	3,5	0,00	0,00	0,10
B	II	222	337	7,4	81	104	27	49	63	41	3,5	0,05	0,00	0,10
C	II	285	379	6,4	88	107	30	49	63	47	3,5	0,10	0,00	0,10
D	II	191	333	9,3	81	109	24	51	68	33	3,5	0,00	0,17	0,10
E	II	194	323	8,9	84	107	25	52	66	47	3,5	0,05	0,17	0,10
F	II	290	375	5,5	86	106	30	53	67	41	3,5	0,10	0,17	0,10
G	II	179	324	10,4	80	110	25	51	68	29	3,5	0,00	0,21	0,10
H	II	200	325	8,5	83	107	26	51	66	42	3,5	0,05	0,21	0,10
K	II	285	377	7,4	85	104	25	52	66	34	3,5	0,10	0,21	0,10
L	II	321	405	4,8							4,0	0,07	0,19	0,10
M	II	324	404	4,2							4,0	0,11	0,19	0,10
N	II	331	413	5,1							4,0	0,15	0,19	0,10
O	II	323	400	3,5							4,0	0,19	0,19	0,10
P	II	258	359	6,9							3,5	0,07	0,19	0,10
Q	II	296	383	5,6							3,5	0,11	0,19	0,10
R	II	298	389	6,7							3,5	0,15	0,19	0,10
S	II	296	389	7							3,5	0,19	0,19	0,10
T	II	296	384	5							3,5	0,13	0,19	0,19

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L	T7 (10 h)	330	405	3,6	94	116	24	53	66	33	4,0	0,07	0,19	0,10
M	II	337	413	4,2	96	117	24	55	69	32	4,0	0,11	0,19	0,10
N	II	336	413	4,3				54	68	29	4,0	0,15	0,19	0,10
O	II	331	388	3,1	100	120	21	54	62	36	4,0	0,19	0,19	0,10
P	II	297	385	5,2				55	69	40	3,5	0,07	0,19	0,10
Q	II	307	390	5	96	114	21	54	68	31	3,5	0,11	0,19	0,10
R	II	309	393	4,8	97	116	24	54	68	35	3,5	0,15	0,19	0,10
S	II	303	392	5,7	97	114	16	54	68	38	3,5	0,19	0,19	0,10
T	II	305	377	3,2	93	113	21	50	64	39	3,5	0,13	0,19	0,19
L	T7 (5 h)	317	397	3,4	97	121	27	58	73	24	4,0	0,07	0,19	0,10
M	II	340	414	4	97	119	27	58	72	23	4,0	0,11	0,19	0,10
N	II	336	408	3,5	99	119	23	59	74	31	4,0	0,15	0,19	0,10
O	II	339	405	2,9	101	121	20	58	73	34	4,0	0,19	0,19	0,10

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Outros testes nos fundidos D e G, e nos fundidos F e K com envelhecimento de 5 horas a 200°C
Média de D&G	HIP + T7 (10 h)	178	330	14,2	3,5	0,00	0,17 & 0,21	0,10
Média de	II	290	383	8,42			0,17 &
F&K					3,5	0,10	0,21	0,10

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Tabela 4

% de Mg	Liga	Tensão F	Número de ciclos Nc	Fraturado C ou não NC
0	A	270	245	C
0	D	270	305	C
0	G	270	389	C
0	A	220	1 526	C
0	A	220	6 352	C
0	D	220	3 690	C
0	D	220	4 436	C
0	G	220	5 779	C
0	G	220	3 790	C
0	A	170	61 584	C
0	A	170	2 600	C
0	D	170	1 020 800	C
0	D	170	817 139	C
0	G	170	415 179	C
0	G	170	538 994	C
0	D	140	7 558 273	C
0	G	120	12 447 392	NC
0,05	H	270	303	C
0,05	H	220	2 297	C
0,10	C	270	3 175	C
0,10	F	270	1 165	C
0,10	K	270	1 522	C
0,10	K	270	1 415	C
0,10	C	220	70 233	C
0,10	C	220	47 579	C
0,10	F	220	95 248	C
0,10	F	220	13 166	C
0,10	K	220	347 036	C
0,10	K	220	39 025	C
0,10	C	170	3 154 045	C
0,10	C	170	402 481	C
0,10	F	170	2 813 763	C
0,10	F	170	355 009	C
0,10	K	170	431 101	C
0,10	K	170	880 016	C
0,10	K	170	2 026 665	C
0,10	C	140	11 459 025	C
0,10	K	130	21 156 603	NC

Petição 870170061465, de 23/08/2017, pág. 28/35

Tabela 5

Liga	% de Mg	% de V	A-0h	A-100h	A-100h Av.	A-150h	A-150h Av.	A-200h	A-200h Av.	A-300h	A-300h Av.
	0,10	0	0	0,8		3,3		Fraturou a	56h, A = 3,8%
C	II	II	0	0,5	0,53	1,3	1,80	Fraturou a 175h, A = 2,4%
	II	II	0	0,3		0,80		Fraturou a 185h, A = 4%
G	0,00	0,21	0	0,27	0,31	0,46	0,53	0,74	0,90	1,92	2,83
	II	II	0	0,35		0,60		1,05		3,73
	0,10	0,17	0	0,17		0,26		0,40		0,88
F	II	II	0	0,15	0,16	0,22	0,22	0,30	0,31	0,59	0,60
	II	II	0	0,12		0,17		0,22		0,33
	0,10	0,21	0	0,14		0,22		0,32		0,58
K	II	II	0	0,14	0,13	0,21	0,20	0,31	0,30	0,58	0,54
	II	II	0	0,12		0,18		0,26		0,45

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Peça fundida com alta resistência mecânica estática, para fadiga e fluência a quente, em particular a 300°C, caracterizada por ser feita de liga de alumínio de composição química, expressa em porcentagem em peso:

Si: 3 - 11%

Fe: < 0,50%

Cu: 2,0 - 5,0%

Mn: 0,05 - 0,50%

Mg: 0,10 - 0,25%

Zn: < 0,30%

Ni: < 0,30%

V: 0,05 - 0,19%

Zr: 0,05 - 0,25%

Ti: 0,01 - 0,25% possivelmente elemento(s) para modificar eutéticos escolhidos entre Sr (30 - 500 ppm), Na (20 - 100 ppm) e Ca (30 - 120 ppm), ou elementos para refinar eutéticos, Sb (0,05 - 0,25%), outros elementos < 0,05% cada e 0,15% no total, o restante sendo alumínio.
2. Peça fundida de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o teor de Silício da liga está entre 5,0 e 9,0%.
3. Peça fundida de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o teor de Magnésio está entre 0,10 e 0,20%.
4. Peça fundida de acordo com a reivindicação 1 ou 3, caracterizada pelo fato de que o teor de Vanádio fica entre 0,08 e 0,19%.
5. Peça fundida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o teor de Ferro é menor que 0,30%.

Petição 870180002651, de 11/01/2018, pág. 4/9

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6. Peça fundida de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizada pelo fato de que o teor de Cobre fica entre 2,5 e 4,2%.
7. Peça fundida de acordo com a reivindicação 1 ou 6 caracterizada pelo fato de que o teor de Manganês fica entre 0,08 e 0,20%.
8. Peça fundida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que o teor de Zinco é menor que 0,10%.
9. Peça fundida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que o teor de Níquel é menor que 0,10%.
10. Peça fundida de acordo com a reivindicação 1 ou 9, caracterizada pelo fato de que o teor de Zircônio fica entre 0,08 e 0,20%.
11. Peça fundida de acordo com a reivindicação 1 ou 10 caracterizada pelo fato de que o teor de titânio fica entre 0,05 e 0,20%.
12. Peça fundida de acordo com a reivindicação 1 ou 11, caracterizada pelo fato de que o teor de Cobre fica entre 3,0 e 4,0%.
13. Peça fundida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que o teor de Vanádio fica entre 0,10 e 0,19%.
14. Peça fundida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada pelo fato de que ela é um cabeçote de um motor de combustão interna.
15. Peça fundida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizada pelo fato de que ela é uma inserção para uma parte quente de uma peça lingotada.

Petição 870180002651, de 11/01/2018, pág. 5/9

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