PT1126037E

PT1126037E - Produção de ferro fundido nodular envolvendo uma inoculação preliminar na colher de fundição

Info

Publication number: PT1126037E
Application number: PT00204581T
Authority: PT
Inventors: Pieter Cornelis Van Eldijk; Frans-Benoni Lietaert
Original assignee: Corus Technology Bv
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2007-01-31
Also published as: NL1014394C2; DE60031503D1; US20010024622A1; EP1126037B1; ATE343648T1; US6533998B2; EP1126037A1; DE60031503T2; ES2272237T3

Description

ΕΡ 1 126 037 /PT DESCRIÇÃO "Produção de ferro fundido nodular envolvendo uma inoculação preliminar na colher de fundição" 0 invento refere-se a um processo para a produção de ferro fundido nodular com um grande número de nódulos de grafite. O invento também se refere a uma peça produzida utilizando este processo. A produção de peças fundidas, comparada com metais soldados, maquinados ou deformados, possui a vantagem considerável de se poder formar um produto num só passo e poucas vezes ser necessário qualquer tratamento adicional. O desenhador de um produto também tem uma considerável liberdade de concepção quando determina a forma do molde e as peças podem ser produzidas em grande número a um custo relativamente baixo. Contudo, é uma desvantagem que a maior parte dos metais, tais como o alumínio e o aço, se contraiam consideravelmente durante a solidificação, com o resultado de se formarem cavidades de contracção internas, sendo difícil ou impossível evitar essa porosidade. 0 ferro fundido comporta-se de um modo diferente, uma vez que durante a solidificação o carbono no material liquefeito é precipitado na forma de partículas de grafite. Esta formação de grafite segue paralelamente a um aumento de volume, de modo que é possível compensar a contracção do ferro. Como resultado, o ferro fundido pode em princípio estar isento de cavidades de contracção e porosidade.

Com o ferro fundido nodular, formam-se partículas de grafite que são mais ou menos esferoidais, de modo que causam um menor efeito de indentação no ferro fundido. Em consequência, o ferro fundido nodular possui propriedades mecânicas que são comparáveis às do aço.

Embora o mecanismo de formação dos nódulos no ferro fundido nodular não seja ainda totalmente conhecido, na prática têm sido desenvolvidas e patenteadas várias técnicas de tratamento padronizado. O ponto de partida é um ferro fundido com uma composição básica, o chamado ferro de base, 2

ΕΡ 1 126 037 /PT contendo por exemplo 3,5% de C, 2% de Si, <0,02% de S e outros elementos de liga padrão que possuem uma influência controlável sobre a estrutura de grafite. Durante o tratamento preliminar, que é geralmente realizado numa colher de tratamento ou colher de fundição, o magnésio é geralmente adicionado ao material liquefeito de modo a conseguir um teor de magnésio dissolvido livremente de 0,015 a 0,06% de Mg ± 0,005%. Frequentemente, também são adicionadas pequenas quantidades de cério, cálcio e outros metais alcalinos e elementos de metais alcalino-terrosos. Este tratamento preliminar é conhecido por formação de nódulos ou tratamento de Mg. Após esta nodulização, é adicionado um inoculante ao ferro fundido, de modo que se formam núcleos de inoculação no material liquefeito, à volta dos quais núcleos de inoculação o carbono pode cristalizar na forma de grafite. Este tratamento é conhecido por inoculação. São utilizáveis várias composições como inoculante. O inoculante é preferivelmente apenas adicionado à corrente de fundição no último momento, por exemplo sob a forma de grãos que apenas têm tempo de se dissolver no material liquefeito. Verificou-se que a adição prematura de inoculante conduz a um menor número de nódulos por mm2 no ferro fundido nodular. Para realizar a nodulização e inoculação num tratamento após o processo de fundição, é possível utilizar um dispositivo em que as reacções ocorrem geralmente sob um gás inerte protector.

Um processo deste tipo é descrito na Patente Francesa 2511044. De acordo com este documento, é utilizado um inoculante com a marca "Sphérix", que compreende uma liga de ferro-silício com 70-75% de silício, contendo 0,005% a 3% de pelo menos um dos metalóides bismuto, chumbo ou antimónio, e 0,005% a 3% de pelo menos um metal do grupo das terras raras (todas as percentagens neste texto são dadas como percentagens em peso).

Em EP-A-0317366 descreve-se um processo para produção de ferro fundido nodular que está isento da formação de cementite, em que a esf eroidização é realizada utilizando Mg ou um material contendo Mg enquanto uma liga de Fe-Si é utilizada como agente de inoculação, sendo a inoculação realizada na colher e no fluxo de metal liquefeito à medida em que é vazado num molde. 3

ΕΡ 1 126 037 /PT

Klaus Jiirgen Best, no seu artigo “ Behandlung von Gu/3eisenschmelzen mit Magnesiumbehandlungsdraht und Impfdraht zur Erzeugung von Serienteilen aus Gufieisen mit Kugelgraphit und mit Vermiculargraphit", Giesserei, Deutschland, Giesserei Verlag, Dusseldorf, vol. 76, N°3, pp. 69-73, descreve um processo para o tratamento de ferros fundidos que compreende a adição de fio de Mg e inoculação com fio de Fe-Si de 0,067, de modo a produzir ferro fundido de grafite nodular. A referida inoculação pode ser realizada na colher e também na corrente de fundição de modo a reduzir a dureza das peças de ferro fundido enquanto se aumenta o número de nódulos de grafite na microestrutura. É geralmente conhecido que na prática é muito difícil utilizar técnicas de fundição convencionais para produzir peças com uma espessura de parede inferior a 5 mm, que sejam isentas de carbonetos primários se forem utilizados moldes de areia não aquecidos e vazamento por gravidade. Com uma espessura de parede inferior a 5 mm, a taxa de arrefecimento durante a solidificação no molde de areia em que é vazado o ferro fundido é tão elevada que, num estado de nucleação óptimo de acordo com os processos conhecidos até agora, há insuficientes núcleos para uma grafitação completa para evitar a forma mais baixa de solidificação branca. As distâncias de difusão excessivamente longas para os núcleos de grafite que estão presentes irão provocar que algum do carbono dissolvido forme carbonetos primários ou cementite de acordo com o sistema Fe-C metaestável, em vez de grafite nodular de acordo com o sistema Fe-C estável. É um objecto do invento proporcionar um processo melhorado para a produção de ferro fundido nodular. É outro objecto do invento proporcionar um processo para a produção de ferro fundido nodular fino que seja isento de cementite, sem utilizar um tratamento térmico especificamente para este propósito. É ainda outro objecto do invento proporcionar um processo que evite a formação de carbonetos primários indesejáveis nas paredes finas. 4

ΕΡ 1 126 037 /PT Ε ainda outro objecto do invento proporcionar um processo com o qual seja obtida uma microestrutura de ferro fundido nodular em espessuras de parede relativamente finas. É ainda outro objecto do invento proporcionar um processo relativamente simples com o qual possam ser produzidas peças feitas de ferro fundido nodular, com paredes de espessura mais fina do que até agora era possível. É ainda outro objecto do invento proporcionar um processo com o qual possam ser produzidas paredes finas de peças a partir de ferro fundido nodular, com um número de nódulos de grafite que é superior ao habitual. É ainda outro objecto do invento proporcionar um processo com o qual peças de paredes finas possam ser produzidas a partir de ferro fundido nodular, com maiores dimensões do que até agora era possível. É ainda um objecto do invento proporcionar peças feitas de ferro fundido nodular em que são atingidos os objectivos anteriores.

De acordo com um primeiro aspecto do invento, um ou mais dos objectos anteriores são conseguidos através de um processo para produzir ferro fundido nodular com um elevado número de nódulos de grafite, de acordo com a reivindicação 1.

Surpreendentemente, verificou-se que a junção de mais um inoculante durante um passo adicional tem um efeito muito favorável sobre o número de nódulos de grafite formados. Esta inoculação preliminar com o inoculante adicional é tanto mais surpreendente dado que até agora foi sempre observado que o inoculante da corrente de fundição deveria ser adicionado tão tarde quanto possível no processo, de modo a formar tantos núcleos de inoculação quanto possível no material liquefeito. Quando o inoculante foi adicionado mais cedo observou-se uma diminuição do efeito da adição do inoculante. Como tal, até agora o inoculante apenas tem sido adicionado à corrente de fundição que é utilizada para encher os moldes de fundição. Esta adição ocorre de um modo doseado com precisão. 5

ΕΡ 1 126 037 /PT

Com o processo de acordo com o invento, em que o inoculante adicional é adicionado como um passo adicional, é possível produzir peças a partir de ferro fundido nodular de um modo convencional, sem ser necessário o tratamento térmico adicional, enquanto as peças podem possuir paredes com uma espessura de parede que é inferior à espessura de parede anteriormente habitual de 5 mm. Foi provado ser possível, com a ajuda do processo de acordo com o invento, produzir peças a partir de ferro fundido nodular com paredes com uma espessura entre 2 mm e 5 mm sem se formar ferro fundido branco. 0 processo de acordo com o invento é portanto eminentemente adequado para produção de componentes para a indústria automóvel, que são sujeitos a esforços relativamente pesados e que têm até aqora sido produzidos através de, por exemplo, soldadura a partir de chapa de aço.

Preferivelmente, a inoculação primária com o inoculante adicional é realizada no máximo aproximadamente 30 minutos antes do vazamento, preferivelmente no máximo 15 minutos antes do vazamento. A inoculação preliminar pode então ser realizada bastante antes do processo de fundição actual, sem que seja crítico o tempo em que a inoculação preliminar tem lugar.

De acordo com uma concretização do processo, o Mg é adicionado numa colher de tratamento ou fundição e o inoculante adicional é adicionado à colher de tratamento ou fundição num componente embalado num componente em fio. Nesta concretização do processo, a colher de tratamento também serve como colher de fundição para o ferro fundido no molde de fundição. A inoculação preliminar com o inoculante adicional na forma de um componente em fio é realizada de forma independentemente e após o tratamento com Mg estar completado.

De acordo com outra concretização do processo, o Mg é adicionado numa colher de tratamento e o inoculante adicional é adicionado a uma corrente de fundição que vai da colher de tratamento até uma colher de fundição. Nesta concretização do processo, o ferro fundido é vertido primeiro da colher de tratamento para a colher de fundição. Durante este passo, o inoculante adicional é adicionado de modo que a inoculação 6

ΕΡ 1 126 037 /PT preliminar com o inoculante adicional é portanto realizada independentemente do tratamento de Mg e está também separado deste fisicamente. 0 inoculante adicional é idêntico ao inoculante da corrente de fundição. É então possível operar com um tipo de inoculante, de modo que não há confusão entre qual inoculante a utilizar e quando. O primeiro inoculante consiste em uma liga FeSi contendo aproximadamente 70% de Si e aproximadamente 0,4% de Ce de metal misto, 0,7% de Ca, 1,0% de AI e 0,8% de Bi e os inevitáveis elementos vestigiários.

De acordo com um processo preferido, aproximadamente 0,3% do inoculante adicional é adicionado durante o passo adicional, tendo o inoculante adicional a mesma composição do inoculante da corrente de fundição. Esta quantidade do inoculante adicional com a composição anteriormente mencionada é suficiente para formar um número suficientemente elevado de núcleos de inoculação, obviamente em conjunto com a utilização do inoculante da corrente de fundição.

Preferivelmente, a quantidade de C no ferro de base é levada a ser igual ou superior a 3,7% e a quantidade de Si é levada a ser tão elevada quanto possível, de modo que é possível moldar peças de paredes finas. Esta composição do material fundido, em conjunto com os inoculantes, tem um efeito benéfico sobre o número de nódulos de grafite formados.

Para peças com uma espessura de parede de aproximadamente 2 mm, é preferível utilizar ferro de base contendo aproximadamente 4, 0% de C, e para peças com uma espessura de parede de aproximadamente 3 mm é preferível utilizar ferro de base contendo aproximadamente 3,8% de C. O Mg é preferivelmente adicionado como Mg puro ou como uma pré-liga, tal como NiMgl5 ou FeSiMg.

De acordo com um processo preferido, após a adição de Mg, a quantidade de Mg livre no ferro de base liquefeito é igual a aproximadamente 0,020% para peças que vão ser 7

ΕΡ 1 126 037 /PT fundidas com uma espessura de parede de aproximadamente 2 mm, é aproximadamente 0,025% para peças com uma espessura de parede de aproximadamente 3 mm, e é aproximadamente 0,030% para uma espessura de parede de aproximadamente 4 mm.

Preferivelmente, adiciona-se uma maior quantidade de inoculante na corrente de fundição consoante a desejada espessura de parede da peça se torna mais fina. A adição de mais inoculante na corrente de fundição resulta em mais núcleos de inoculação a serem formados no material liquefeito e portanto mais nódulos de grafite a serem formados na peça. É desejado um maior número de nódulos de grafite à medida que a parede se torna mais fina.

Um segundo aspecto do invento proporciona uma peça feita de ferro fundido nodular que, de acordo com o invento, possui uma parede com uma espessura inferior a aproximadamente 5 mm, em particular de 2 a 4 mm, utilizando o processo descrito anteriormente. Peças deste tipo feitas de ferro fundido nodular que possuem pelo menos uma parede com uma espessura inferior a 5 mm destinam-se a muitas áreas de aplicação, tais como a indústria automóvel, um bom substituto para os componentes formados tradicionalmente, tais como ferro fundido nodular pesado, aço forjável, aço fundido ou uma composição soldada, ou para componentes formados de modo não tradicional, tais como AI fundido tratado termicamente, dado que podem ser produzidos a um custo inferior em maior número e são também mais leves, ao mesmo tempo que satisfazem os requisitos funcionais, em particular no que respeita à resistência. 0 número de nódulos de grafite por mm2 na peça aumenta à medida que a espessura da parede se torna menor, sendo aproximadamente de 2000 nódulos por mm2 para uma espessura de parede de aproximadamente 3 mm, e de aproximadamente 6000 nódulos por mm2 para uma espessura de parede de aproximadamente 2 mm. É desejável um número de nódulos deste nível para evitar a solidificação branca do ferro fundido a tais espessuras. A peça preferivelmente possui dimensões que são no máximo de 300 por 300 por 400 mm. Estas dimensões são 8

ΕΡ 1 126 037 /PT suficientemente grandes para a maior parte das aplicações em que podem ser utilizadas peças de paredes finas. 0 invento será explicado com base numa concretização exemplar e com referência aos desenhos, em que: A Fig. 1 mostra esquematicamente uma colher de tratamento e uma colher de fundição para o tratamento de Mg e inoculação preliminar. A Fig. 2 mostra esquematicamente o vazamento de uma peça e a inoculação.

Quando as peças são produzidas do modo habitual a partir de ferro fundido nodular, um metal liquefeito é formado a partir de ferro de base 3 contendo aproximadamente 3,5% de C, 2% de Si e <0,02% de S, assim como elementos de liga padrão adicionais que, tanto quanto se sabe, têm uma influência controlável sobre a estrutura de grafite. O ferro de base é transferido para uma colher de tratamento 1, conforme a Fig. 1, em que o magnésio é adicionado ao material liquefeito, conforme a seta A na Fig. 1. O magnésio é adicionado como magnésio puro ou como uma liga de magnésio, tal como NiMgl5 ou FeSiMg. Deveria ser atingido um teor de Mg dissolvido livremente de 0,015-0,06% de Mg ± 0,005%. O magnésio puro pode ser fornecido como um fio que está cheio de magnésio ou com uma pré-liga de Mg, de modo que não existe o risco do magnésio ser oxidado ou evaporado prematuramente. Pequenas quantidades de cério e/ou cálcio e similares são muitas vezes também adicionadas deliberadamente.

Após este assim chamado tratamento de Mg, algum do material liquefeito é transferido para uma colher de fundição 2, conforma a seta B na Fig. 1. A Fig. 2 mostra que o ferro liquefeito 3 é vertido da colher de fundição 2 para um molde de fundição 4, sendo adicionado um inoculante na corrente de fundição 5 durante o vazamento, conforme a seta D. Há numerosas composições em utilização como inoculante para formação de um grande número de núcleos de inoculação no material liquefeito. Um destes inoculantes é Sphérix, conforme a Patente Francesa 2511044, que consiste em ferro-silício contendo 70-75% de silício com 0,005 a 3% de pelo 9

ΕΡ 1 126 037 /PT menos um dos metais bismuto, chumbo ou antimónio, e 0,005 a 3% de um metal seleccionado do grupo das terras raras. O inoculante é adicionado tão tarde quanto possível antes de se encher o molde de fundição, dado que se verificou que de outro modo diminui o efeito da adição de inoculante.

Segundo o invento, junta-se um inoculante adicional, conforme a seta E na Fig. 1. Este inoculante adicional pode juntar-se facilmente ao material liquefeito um quarto de hora antes do molde de fundição 4 ser cheio e ainda assim tem um efeito favorável sobre a formação de núcleos de inoculação e a obtenção de um grande número de nódulos de grafite na peça, de modo que a peça pode ter paredes com uma espessura mais fina que 5 mm.

Como a espessura de parede diminui de uma espessura de 5 mm para um mínimo possível de 2 mm, é desejável que a percentagem de C n ferro de base aumente de aproximadamente 3,5% para aproximadamente 4,0%, enquanto ao mesmo tempo a percentagem de Si utilizada é tornada tão elevada quanto possível, mas diminuindo de aproximadamente 2,8% para aproximadamente 2,5% à medida que a percentagem de C aumenta.

Quando se utiliza o processo de acordo com o invento, verificou-se que um inoculante feito a partir de uma liga de FeSi, contendo aproximadamente 70% de Si e aproximadamente 0,4% de Ce de metal misto, 0,7% de Ca, 1,0% de Al e 0,8% de Bi e elementos vestigiários inevitáveis, proporciona os melhores resultados comparado com os processos conhecidos até agora. Este inoculante é utilizado tanto para a inoculação na corrente de fundição como na inoculação adicional.

Aproximadamente 0,3% do inoculante adicional é utilizado para a inoculação preliminar. Uma percentagem crescente do inoculante da corrente de fundição é utilizado à medida que a desejada espessura de parede diminui, aumentando até aproximadamente 0,8% para uma espessura de parede de 2 mm, ao passo que crescentes valores de % de C e % de Si permitem uma menor % de inoculante a utilizar. É também desejável que a percentagem de Mg seja baixa e se torne mais baixa à medida que a espessura de parede 10

ΕΡ 1 126 037 /PT diminui. Para uma espessura de parede de 2 mm, a percentagem de Mg livre deveria ser aproximadamente de 0,02%, para uma espessura de parede de 3 mm deveria ser aproximadamente de 0,025%, e para uma espessura de parede de 4 mm deveria ser aproximadamente de 0,03%.

Com o processo para fundir peças a partir de ferro fundido nodular de acordo com o invento, é possível fundir peças com pelo menos uma parede com uma espessura de aproximadamente 2 mm, enquanto as peças podem ter uma dimensão máxima de 300 por 300 por 400 mm.

Quando se utiliza o processo de acordo com o invento, com uma espessura de parede de 2 mm é possível formar aproximadamente 6000 nódulos por mm2, e para uma espessura de parede de 3 mm é possível formar aproximadamente 2000 nódulos por mm2. Para estas espessuras, o ferro fundido nodular que foi tratado de um modo convencional possui aproximadamente 550 a 1000 nódulos por mm2. O invento foi descrito anteriormente com base numa concretização exemplar. Deve ser entendido que o invento não está restrito a este exemplo; o âmbito da protecção é determinado pelas reivindicações em anexo.

Lisboa,

Claims

ΕΡ 1 126 037 /PT 1/3 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para produção de ferro fundido nodular com um elevado número de nódulos de grafite, que compreende os passos seguintes: • preparar ferro de base liquefeito para fundir peças de ferro fundido nodular; • adicionar Mg ao ferro de base liquefeito; • utilizar uma corrente de fundição para vazar o ferro fundido num molde de fundição, sendo adicionado um inoculante à corrente de fundição caracterizado por, entre a adição do Mg e a adição do inoculante na corrente de fundição, se realizar uma inoculação preliminar utilizando inoculante adicional como um passo adicional, em que o inoculante da corrente de fundição é composto por uma liga de FeSi contendo 70% de Si, 0,4% de Ce de metal misto, 0,7% de Ca, 1,0% de AI e 0,8% de Bi e elementos vestigiários inevitáveis, e em que o inoculante adicional é idêntico ao inoculante da corrente de fundição, resultando numa peça feita a partir de ferro fundido nodular possuindo 2000 nódulos por mm2 para uma espessura de parede de 3 mm e possuindo 6000 nódulos por mm2 para uma espessura de parede de 2 mm.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a inoculação preliminar ser realizada no máximo 30 minutos antes do vazamento, preferivelmente no máximo 15 minutos antes do vazamento.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o Mg ser adicionado numa colher de tratamento ou de fundição, e por o inoculante adicional ser adicionado à colher de tratamento ou de fundição embalado num componente em fio.
4. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o Mg ser adicionado numa colher de tratamento, e por o inoculante adicional ser adicionado a uma corrente de fundição que vai de uma colher de tratamento para uma colher de fundição. ΕΡ 1 126 037 /PT 2/3
5. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por durante o passo adicional serem adicionados 0,3% do inoculante adicional.
6. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por para peças com uma espessura de parede de 2 mm ser utilizado ferro de base contendo 4,0% de C, e para peças com uma espessura de parede de 3 mm ser utilizado ferro de base contendo 3,8% de C.
7. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o Mg ser adicionado como Mg puro ou como uma pré-liga, tal como NiMgl5 ou FeSiMg.
8. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por após a adição de Mg a quantidade de Mg livre no ferro de base liquefeito ser igual a 0,020% para peças que vão ser fundidas com uma espessura de parede de 2 mm, ser de 0,025% para peças com uma espessura de parede de 3 mm, e ser de 0,030% para uma espessura de parede de 4 mm.
9. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por ser adicionada uma maior quantidade de inoculante na corrente de fundição à medida que a desejada espessura de parede a peça a fundir se torna mais fina.
10. Peça fabricada a partir de ferro fundido nodular utilizando o processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada por a peça possuir uma parede com uma espessura inferior a aproximadamente 5 mm, em particular de 2 a 4 mm, e por a peça possuir mais nódulos de grafite por mm2 à medida que a espessura de parede se torna menor, possuindo a peça 2000 nódulos por mm2 para uma espessura de parede de 3 mm e possuindo 6000 nódulos por mm2 para uma espessura de parede de 2 mm.
11. Peça de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por as dimensões da peça serem no máximo de 300 por 300 por 400 mm. ΕΡ 1 126 037 /PT 3/3
12. Peça fabricada a partir de ferro fundido nodular, caracterizada por a peça, numa parede com uma espessura entre 2 e 5 mm, possuir uma matriz de aço predominantemente ferritico e por o número de nódulos de grafite por mm2 da peça aumentar à medida que a espessura de parede se torna menor, possuindo a peça 2000 nódulos por mm2 para uma espessura de parede de 3 mm e possuindo 6000 nódulos por mm2 para uma espessura de parede de 2 mm. Lisboa,