BRPI1002808B1 - liga de ferro fundido com grafite lamelar e cabeçote de cilindro - Google Patents
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Abstract
LIGA DE FERRO FUNDIDO COM GRAFITE LAMELAR E CABEÇOTE DE CILINDRO Uma liga de ferro fundido com grafite lamelar é descrita, a qual apresenta como aditivos 2,80% em peso - 3,60% em peso de carbono (C), 1,00% em peso - 1,70% em peso de silício (Si), O, 10% em peso - 1, 20% em peso de manganês (Mn), 0,03% em peso- 0,15% em peso de enxofre (S), 0,05% em peso - 0,30% em peso de cromo (Cr), 0,05% em peso -10 0,30% em peso de molibdênio (Mo), 0,05% em peso - 0,20% em peso de zinco (Sn), e as impurezas comuns, assim como um cabeçote de cilindro produzido a partir dela.
Description
[0001] A invenção refere-se a uma liga de ferro fundido com grafite lamelar, assim como a um cabeçote de cilindro feito da mesma.
[0002] Este tipo de ligas de ferro fundido e de cabeçotes são conhecidos. Um cabeçote de cilindro para um motor de combustão interna é conhecido, por exemplo, de DE-A-100 12 918. Este documento descreve um cabeçote de cilindro para um motor de combustão interna, o qual é fundido a partir de liga de ferro fundido com grafite lamelar e que contém como aditivos 3,30% em peso até 3,60% em peso de carbono, 1,73% em peso até 1,92% em peso de silício, 0,60% em peso até 0,90% em peso de manganês, máximo 0,055% em peso de fósforo, máximo 0,10% em peso enxofre, 0,20% em peso até 0,32% em peso de cromo, 0,40% em peso até 0,90% em peso de cobre, 0,08% em peso até 0,10% em peso de zinco, 0,035% em peso até 0,55% em peso de molibdênio e 0,01% em peso até 0,014% em peso de titânio. Também são conhecidos os cabeçotes de cilindro de ferro fundido cinzento, por exemplo, de MAN Werknorm M 3422, abril de 2000, os quais contém como aditivos 3,30% em peso até 3,55% em peso de carbono, 1,80% em peso até 2,30% em peso de silício, 0,55% em peso até 0,80% em peso de manganês, máximo 0,20% em peso de fósforo, máximo 0,13% em peso de enxofre, 0,10% em peso até 0,15% em peso de cromo, 0,10% em peso até 0,20% em peso de molibdênio, 0,08% em peso até 0,12 de zinco e máximo 0,15% em peso de cobre.
[0003] Para melhoria continua da combustão em motores, as pressões de ignição são continuamente elevadas. A região mais fraca aqui é a haste de válvula do cabeçote de cilindro que fecha a câmara de combustão. Particularmente, são conhecidos diferentes métodos para o ajuste das propriedades desejadas através da liga de determinados elementos de liga. Entretanto, até hoje n’ao tem sido possível, preparar ligas de ferro fundido e cabeçotes de cilindro que satisfaçam os elevados requerimentos tanto em relação às propriedades mecânicas quanto também em relação à condutividade térmica, particularmente em relação à durabilidade e tempo de vida útil. Ademais, tem-se que as ligas conhecidas requerem a liga de elementos de liga caros.
[0004] A invenção tem então a tarefa de melhorar as ligas e os cabeçotes de cilindro descritos no início, de forma a eliminar as desvantagens descritas. Para isso deve ser possível, particularmente, fornecer uma liga e um cabeçote de cilindro que apresentem propriedades mecânicas melhoradas e uma melhor condutividade térmica, preferivelmente para baixas temperaturas, ou seja, em temperaturas de aproximadamente 10 até aproximadamente 400. Deseja-se também abaixar os custos das ligas e cabeçotes de cilindro conhecidos.
[0005] A tarefa anterior é solucionada através de uma liga de ferro fundido com grafite lamelar, que se caracteriza por apresentar como aditivos 2,80% em peso até 3,60% em peso de carbono (C), 1,00% em peso até 1,70% em peso de silício (Si), 0,10% em peso até 1,20% em peso de manganês (Mn), 0,03% em peso até 0,15% em peso de enxofre (S), 0,05% em peso até 0,30% em peso de cromo (Cr), 0,05% em peso até 0,30% em peso de molibdênio (Mo), 0,05% em peso até 0,20% em peso de estanho (Sn) e as impurezas usuais.
[0006] Concretizações vantajosas desta liga de ferro fundido, particularmente de seu uso como cabeçote de cilindro, partem das reivindicações 2 até 9 explicadas com mais detalhes a seguir.
[0007] A liga de acordo com a invenção e o cabeçote de cilindro de acordo com a invenção possuem, em comparação com estado da técnica, uma condutividade térmica melhorada e uma resistência elástica melhorada, particularmente a resistência na haste de válvula. Através da combinação de alta condutividade térmica e alta resistência é reduzida a ocorrência de trincas por fadiga e o seu aumento é detido ou até impedido. Particularmente, são conseguidos avanços na faixa de temperaturas baixas, particularmente para temperaturas de aproximadamente 100 até aproximadamente 400oC. A utilização da liga de acordo com a invenção leva a que fraturas que aparecem na faixa de altas temperaturas não possam continuar se espalhando, ou seja, elas ficam estáveis. Com isso, é elevado o tempo de vida da liga de acordo com a invenção e do cabeçote de cilindro de acordo com a invenção. Além disso, a liga de acordo com a invenção e o cabeçote de cilindro segundo a invenção tem um custo-benefício melhor que as ligas e cabeçotes de cilindro segundo a técnica anterior.
[0008] Preferivelmente, a matriz da estrutura da liga de ferro fundido de acordo com a invenção e do cabeçote de cilindro de acordo com a invenção é formada de perlita com máximo aproximadamente 5%, particularmente máximo aproximadamente 3% de ferrita. Ferrita é denominada aqui como estrutura, e não como fase como na perlita. As indicações em% referem-se aqui, assim como em todas as indicações de microestrutura aqui mencionadas, à quantidade em% em corte plano. No núcleo apresenta-se o grafite lamelar na forma I, com mais de 80%, preferivelmente mais de 90% no arranjo A, e no tamanho 3 ou mais fino (EN ISO 945:1994-09). A estrutura especial tem a vantagem de que as propriedades desejadas, ou seja, a retenção das propriedades mecânicas assim como o aumento da condutibilidade térmica são melhoradas ainda mais. Grafite lamelar na forma I, em distribuição A e tamanho 2 apresenta-se, devido à carência de inoculação, somente em regiões de distribuição B, C, D e/ou E. No núcleo, o grafite lamelar pode-se apresentar também em pequenas porções de distribuição B, C, D e/ou E. Em regiões marginais até uma profundidade de 3 mm é permissível, devido à influencia de material moldado, a distribuição D + E até 100%.
[0009] As propriedades de estrutura preferidas são importantes particularmente nas regiões de forte carga termomecânica com mudança de temperatura e carga térmica contínua de 20 - 480oe permanente de 300 - 450oC, da liga de ferro fundido de acordo com a invenção e do cabeçote de cilindro de acordo com a invenção. Em relação com os cabeçotes de cilindro, essas propriedades ótimas referem-se a quando a estrutura anteriormente especificada se apresenta nas hastes entre as aberturas de válvula de entrada e válvula de saída e para multi-válvulas entre as hastes.
[0010] Um tratamento térmico através de um esfriamento até um ponto ou um recozimento é possível, como opção para a redução de tensão interna, porém não influencia a formação da estrutura metalográfica.
[0011] As propriedades desejadas são ajustadas particularmente através da combinação dos aditivos dados e de suas quantidades, ou seja, estes atuam juntos de forma sinergética.
[0012] O carbono é utilizado em uma quantidade de 2,80% em peso até 3,60% em peso, preferivelmente 3,20% em peso até 3,50% em peso. Um conteúdo de carbono muito baixo leva a formação de micro-cavidades, enquanto que um conteúdo de carbono muito alto apresenta a desvantagem de que a liga apresenta uma resistência muito baixa.
[0013] O silício é utilizado em uma quantidade de 1,00% em peso até 1,70% em peso, preferivelmente em um quantidade de 1,20% em peso até 1,60% em peso e particularmente preferível em uma quantidade de 1,30% em peso até 1,50% em peso. Um conteúdo de silício muito baixo leva à radiação branca, enquanto um conteúdo de silício muito alto possui a desvantagem de que a condutibilidade térmica baixa fortemente.
[0014] O manganês é utilizado em uma quantidade de 0,10% em peso até 1,20% em peso, preferivelmente em uma quantidade de 0,30% em peso até 0,80% em peso e particularmente preferível é em uma quantidade de 0,50% em peso até 0,60% em peso. O manganês é necessário para ligar o enxofre, pois na liga de acordo com a invenção não deve haver nenhum enxofre puro, mas somente sulfeto de manganês. Um conteúdo de manganês muito alto leva à radiação branca.
[0015] O enxofre é utilizado em uma quantidade de 0,03% em peso até 0,15% em peso, preferivelmente em uma quantidade de 0,05% em peso até 0,14% em peso e particularmente preferível em uma quantidade de 0,08% em peso até 0,12% em peso. O enxofre no composto de MnS é necessário para garantir uma boa usinabilidade. Muito pouco enxofre leva a que a liga de acordo com a invenção seja difícil de usinar. Um conteúdo muito alto de enxofre leva a erros de microestrutura.
[0016] O cromo é utilizado em uma quantidade de 0,05% em peso até 0,30% em peso e preferivelmente em uma quantidade de 0,08% em peso até 0,20% em peso e particularmente preferível em uma quantidade de 0,08% em peso até 0,15% em peso. O cromo tem a tarefa de estabilizar o Perlite em temperaturas > 550oC. Um conteúdo muito alto de cromo leva à radiação branca.
[0017] O molibdênio é utilizado em uma quantidade de 0,05% em peso até 0,30% em peso, preferivelmente em uma quantidade de 0,10% em peso até 0,25% em peso e particularmente preferível em uma quantidade de 0,10% em peso até 0,20% em peso. O molibdênio garante a resistência térmica, na utilização do cabeçote de cilindro preferivelmente na faixa de 300oC até 400oC. Um conteúdo muito alto de molibdênio eleva os custos da liga e provoca uma tendência a cavidades.
[0018] O zinco é utilizado em uma quantidade de 0,05% em peso até 0,20% em peso, preferivelmente em uma quantidade de 0,05% em peso até 0,15% em peso e particularmente preferível em uma quantidade de 0,08% em peso até 0,12% em peso. O zinco serve para suprimir a formação de ferrite. Um conteúdo muito alto de zinco leva à degradação. Muito particularmente preferível apresenta-se o zinco em uma quantidade de 0,08 - 0,12% em peso.
[0019] A liga de ferro fundido de acordo com a invenção e o cabeçote de cilindro de acordo com a invenção pode conter as usuais impurezas. Como impurezas consideram-se, por exemplo, níquel, cobre, titânio, vanádio, nióbio, nitrogênio e fósforo. O conceito impureza considera também meio inoculante, a menos que um ou vários dos elementos do meio inoculante sejam necessários para as propriedades da liga.
[0020] Preferivelmente, a quantidade de níquel é de até 1% em peso, particularmente preferível até de 0,30% em peso. Muito particularmente preferível < 0,30% em peso. Uma quantidade de cobre muito alta leva a problemas de separação e é caro. Em uma forma de concretização preferida, o uso de cobre não é nada necessário e a liga de acordo com a invenção contém somente o cobre proveniente da sucata.
[0021] O titânio apresenta-se preferivelmente em uma quantidade de no máximo 0,010% em peso. Um conteúdo de titânio muito alto piora a usinabilidade da liga de ferro fundido.
[0022] O vanádio apresenta-se preferivelmente em uma quantidade de até 0,2% em peso, particularmente preferível de até 0,1% em peso. Muito particularmente preferível < 0,10% em peso. Se o conteúdo de vanádio é muito alto, então a tenacidade e a condutibilidade térmica diminuem.
[0023] O nióbio apresenta-se preferivelmente em uma quantidade de até 0,2% em peso, particularmente preferível até 0,1% em peso. Muito particularmente preferível < 0,10% em peso. Uma quantidade de nióbio muito alta eleva os custos quando ligado conscientemente e leva a uma piora da condutibilidade térmica.
[0024] O nitrogênio apresenta-se em uma quantidade de até 0,03% em peso, particularmente preferível até 0,0080% em peso. Um conteúdo de nitrogênio livre muito alto tem a desvantagem de que possam se apresentar porosidades na peça fundida.
[0025] O fósforo apresenta-se preferivelmente em uma quantidade de até 0,15% em peso, particularmente preferível em uma quantidade de até 0,06% em peso. Um conteúdo de fósforo muito alto leva a uma diminuição da tenacidade.
[0026] A inoculação da liga ocorre preferivelmente concretização bário, zircônio ou metais de terras raras. Estes são utilizados em quantidades de 0,0005% em peso até 0,0500% em peso, preferivelmente em quantidades de 0,0010% em peso até 0,00125% em peso. Particularmente preferível é o bário, já que este produz uma solidificação cinza como nucleação de grafite. O bário é particularmente apropriado também devido a que ele compensa a baixa quantidade de silício como promotor da solidificação estável. O bário é utilizado nas quantidades anteriormente mencionadas.
[0027] Como especialmente vantajoso produziram-se as seguintes combinações exatas com as quantidades definidas exatamente e os elementos de liga:
[0028] O grafite apresenta-se nas combinações especiais anteriormente mencionadas no núcleo em forma I, arranjo A e tamanho 3 e mais fino.
[0029] A liga de ferro fundido de acordo com a invenção e o cabeçote de cilindro de acordo com a invenção satisfazem as propriedades mecânicas requeridas, como por exemplo, tenacidade e dureza. Além disso, medições de condutibilidade térmica mostraram que a liga de ferro fundido de acordo com a invenção e o cabeçote de cilindro de acordo com a invenção possuem, exatamente na faixa de temperatura de aproximadamente 100 até 400oC, valores inesperados de condutibilidade térmica. Particularmente, a liga de ferro fundido de acordo com a invenção e o cabeçote de cilindro de acordo com a invenção apresentam uma condutibilidade térmica de 47 W/mk na faixa de 200oC e corresponde em faixas de temperaturas maiores que 400oC a ligas de ferro fundido e cabeçotes de cilindro em algo conhecidos. A resistência a tração é, em comparação, com ligas conhecidas eventualmente melhorada ou pelo menos a mesma.
[0030] Como já mencionado em várias ocasiões, a invenção refere-se também a um cabeçote de cilindro. Particularmente, trata-se de um cabeçote de cilindro de um motor de combustão interna. Particularmente, o cabeçote de cilindro é formado como cabeçote de cilindro em série para um motor de combustão interna, particularmente com auto-ignição, de um ou mais cilindros em série ou com uma construção em V.
[0031] A otimização da condutividade térmica com a retenção de todas as outras propriedades mecânicas requeridas ocorre para elementos construtivos de esfriamento com água, já que aqui tem-se, na zona de contato com a corrente de água, temperaturas de aproximadamente 100oC até aproximadamente 350oC, particularmente até aproximadamente 250oC, e nessa faixa uma condutividade térmica elevada diminui muito mais fortemente a temperatura dos elementos construtivos.
[0032] A continuação a invenção será descrita com ajuda de exemplos. Os exemplos, entretanto, de forma alguma limitam ou restringem o escopo da presente invenção.
[0033] As seguintes ligas de ferro fundido foram produzidas, de forma usual, de ferro fundido ligado com grafite lamelar sob a utilização de bário como inoculante (exemplos 1 e 2) e sem inoculante (exemplos de comparação 3 ecom inoculante referência não conhecido 4):
(-) = não determinado
[0034] A matriz da microestrutura consiste, nos exemplo 1 e 2, de perlite com aproximadamente 5% ferrita. O grafite lamelar apresenta-se nos exemplos 1 e 2 na forma I, arranjo A e tamanho 3 e mais fino. Nos exemplos comparativos 3 e 4, o grafite lamelar apresenta-se na forma I, arranjo A e tamanho 3-5 .
[0035] As propriedades mecânicas assim como acondutibilidade térmica das ligas de ferro fundido do exemploassim como dos exemplos comparativos 3 e 4 foram determinadas de forma usual.
[0036] Os resultados são apresentados na tabela 1, assim como na figura 1.
[0037] Medições de condutibilidade térmica (sobre condutibilidade de temperatura segundo o método de flash laser) e valores de resistência a tração (Rm segundo a DIN EN 10002-1).
[0038] Os valores para a resistência à tração (segundo a norma DIN EN 10 002) com amostra de tração segundo a norma DIN EN 1561, a dureza Brinell (segundo a norma DIN EN ISO 6506) do exemplo 1 se correspondem com os valores dos exemplos comparativos 3 e 4.
[0039] Observa-se que a liga de ferro fundido, segundo a invenção, do exemplo 1 se corresponde, em relação à resistência à tração e à dureza, com exemplos comparativos 3 e 4, sendo que a liga de ferro fundido de acordo com a invenção é superior aos exemplos comparativos 3 e 4, em relação à condutibilidade térmica.
Claims (8)
1. Liga de ferro fundido com grafite lamelar, caracterizada pelo fato de referida liga de ferro fundido apresentar como aditivos: 2,80% em peso a 3,60% em peso de carbono (C), 1,00% em peso a 1,50% em peso de silício (Si), 0,10% em peso a 1,20% em peso de manganês (Mn), 0,03% em peso a 0,15% em peso de enxofre (S), 0,05% em peso a 0,30% em peso de cromo (Cr), 0,05% em peso a 0,30% em peso de molibdênio (Mo), 0,05% em peso a 0,20% em peso de estanho (Sn), e o ferro restante (Fe) assim como as impurezas comuns, das quais o níquel (Ni) compõe até 1% em peso, cobre (Cu) até 1% em peso, titânio (Ti) até 0,2% em peso, vanádio (V) até 0,2% em peso, nióbio (Nb) até 0,2% em peso, nitrogênio (N) até 0,03% em peso, e fósforo (P) até 0,15% em peso, a matriz da estrutura da liga de ferro fundido sendo formada a partir de perlita com no máximo 5% de ferrita, sendo referida liga de ferro fundido obtida pela inoculação com 0,0005% em peso até 0,0500% em peso de bário.
2. Liga de ferro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de referida liga de ferro fundido apresentar como aditivos: 3,20% em peso a 3,50% em peso de carbono (C), 1,30% em peso a 1,50% em peso de silício (Si), 0,50% em peso a 0,60% em peso de manganês (Mn), 0,08% em peso a 0,12% em peso de enxofre (S), 0,10% em peso a 0,15% em peso de cromo (Cr), 0,20% em peso a 0,25% em peso de molibdênio (Mo), 0,05% em peso a 0,10% em peso de estanho (Sn).
3. Liga de ferro fundido, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 ou 2, caracterizadapelo fato de a matriz da estrutura da liga de ferro fundido ser formada a partir de perlita com no máximo 3% de ferrita.
4. Liga de ferro fundido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizadapelo fato de o grafite lamelar se apresentar no núcleo na forma I, em mais de 80%, preferivelmente em mais de 90%, no arranjo A e no tamanho 3 ou mais fino (EN ISO 945:1994-09).
5. Liga de ferro fundido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizadapelo fato de ser obtida pela inoculação com 0,0010% em peso até 0,00125% em peso de bário.
6. Cabeçote de cilindro, caracterizadopelo fato de ser constituído da liga de ferro fundido conforme definida em qualquer uma das reivindicações de 1 a 5.
7. Cabeçote de cilindro, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato de se tratar de um cabeçote de cilindro de um motor de combustão interna.
8. Cabeçote de cilindro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizadopelo fato de o cabeçote de cilindro ser configurado como uma cabeçote de cilindro em série para um multi-cilindro, em particular um motor de combustão interna com auto-ignição.
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