PT1834005E - Liga de fundição esferoidal e processo para o fabrico de peças fundidas a partir da liga de fundição esferoidal - Google Patents
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Description
1
DESCRIÇÃO
LIGA DE FUNDIÇÃO ESFEROIDAL E PROCESSO PARA O FABRICO DE PEÇAS FUNDIDAS A PARTIR DA LIGA DE FUNDIÇÃO ESFEROIDAL A presente invenção diz respeito a uma liga de fundição esferoidal para produtos de ferro fundido, com uma elevada estabilidade mecânica, uma elevada resistência ao desgaste e, simultaneamente, uma elevada tenacidade, abrangendo como componentes não-ferrosos C, Si, P, Mg, Cr, Al, S, B, Cu, Mn e as impurezas habituais.
Na indústria da construção de automóveis são usadas ligas de ferro fundido para o fabrico de peças fundidas que devem ter uma elevada resistência ao desgaste, por exemplo, discos de travão que no processo de travagem têm de transformar a energia cinética do veiculo em energia térmica.
Os discos de travão podem atingir temperaturas até cerca de 850 °C.
Durante o processo de travagem não são desgastados apenas os calços dos travões mas também os discos de travão. Os discos de travão apresentam um desgaste irregular, e muitas vezes têm de ser substituídos ainda durante o periodo de garantia, provocando custos elevados ao fabricante do veiculo.
Para que o desgaste na superfície do disco do travão seja o mais regular possível, a estrutura cristalina e a 2 homogeneidade da estrutura têm de satisfazer requisitos elevados. A homogeneidade pode ser melhorada por um processo adequado de fundição.
Da Patente GB 832 666 é conhecida uma liga de ferro fundido com componentes não ferrosos, tal como 1,0 a 2,5% em peso de C, 1,5 a 3,2% em peso de Si, menos que 1,15% em peso de Mn, menos que 0,5% em peso de S e 0,001 a 0,05% em peso de B.
Depois da fundição forma-se o teor de grafite na forma compacta.
Como a liga não contém Mg, não se forma grafite esferoidal ou grafite vermicular mas, sobretudo, um grafite com um aspecto semelhante aos nódulos de grafite nodular do ferro fundido maleável. A liga contém 5 a 10% de carbonetos numa matriz maioritariamente perlitica, o que tem por consequência que o alongamento de ruptura seja relativamente baixo.
Para limitar a formação de grafite lamelar e melhorar, assim, o módulo de elasticidade, são adicionados como elementos de liga o telúrio e o bismuto.
Valores mais elevados do alongamento de ruptura são conseguidos por um tratamento térmico seguinte. DA Patente US 2004/0112479-Al é conhecida uma outra liga de ferro fundido que contém, de preferência, 3,7% em peso 3 de C, 2,5% em peso de Si, 1,85% em peso de Ni, 0,85% em peso de Cu e 0,05% em peso de Mo.
Este material distingue-se por um alongamento de 20 a 16% a par de uma resistência à tracção de 500 a 900 MPa e por uma dureza Brinell de 180 a 290 HB.
Estas propriedades são atingidas após um tratamento térmico moroso que abrange os seguintes passos sucessivos: 10 a 360 minutos de austenitização a temperaturas entre os 750 e 790 °C, arrefecimento rápido num banho de sais para uma temperatura entre os 300 e os 400 °C, 1 a 3 horas de austêmpera a temperaturas entre os 300 e 400 °C e arrefecimento para a temperatura ambiente.
Após este tratamento, o material apresenta uma microestrutura austenitica e ferritica. O material distingue-se por uma trabalhabilidade mecânica mais fácil do que o ferro fundido sujeito à austêmpera de forma habitual.
Da Patente DE 101 29 382 AI é conhecida uma liga de fundição esferoidal para produtos de ferro fundido com uma deformabilidade plástica, em que a liga de fundição esferoidal contém como componentes não ferrosos, pelo menos, os elementos C, Si, Mn, Cu, Mg, S e, a nível de adições, um ou vários elementos do grupo III b do sistema periódico, contendo a liga, como adição, pelo menos, o elemento boro e em que o teor de Si é superior a 2,4%.
Tomando como ponto de partida o actual nível de desenvolvimento do estado da técnica, a invenção tem por 4 objectivo indicar uma liga de ferro fundido que seja fabricada de elementos, tanto quanto possível, económicos, apresentando as peças fundidas resistência térmica e estabilidade, nomeadamente, resistência ao desgaste, e simultaneamente uma tenacidade muito elevada, sem tratamento térmico adicional.
Este objectivo é atingido por uma liga de fundição esferoidal para produtos de ferro fundido com uma elevada resistência mecânica, uma elevada resistência ao desgaste e, simultaneamente, uma elevada tenacidade, abrangendo como elementos não ferrosos C, Si, P, Mg, Cr, Al, S, B, Cu, Mn e as habituais impurezas de acordo com a reivindicação 1, em que a liga contém 3,0 a 3,7% em peso de C, 2,6 a 3,4% em peso de Si, 0,02 a 0,05% em peso de P, 0,025 a 0, 045% de Mg, 0,01 a 0,03% em peso de Cr, 0,003 a 0,017% em peso de Al, 0,0005 a 0,012% em peso de S e 0,0004 a 0,002% em peso de B, 0,1 a 1,5% em peso de Cu, de preferência, 0,5 a 0,8% em peso de Cu, e 0,1 a 1,0% em peso de Mn, de preferência, 0,15 a 0,2% de Mn, resto Fe e as impurezas inevitáveis.
Evoluções favoráveis da invenção resultam das reivindicações 2 a 17. É vantajoso que a liga tenha o melhor comportamento de resistência/alongamento possível, o que é conseguido por a liga de fundição esferoidal conter 0,1 a 1,5% em peso de Cu, de preferência, 0,5 a 0,8% em peso de Cu. E também é conseguido por a liga conter 0,1 a 1,0% em peso de Mn, de preferência, 0,15 a 0,2% em peso de Mn. 5 É também vantajoso que a liga apresente o melhor comportamento de desgaste possível, o que é conseguido por a liga conter 0,1 a 1,5% em peso de Cu, de preferência, 0,5 a 0,8% em peso de Cu, e 0,1 a 1,0% em peso de Mn, de preferência, 0,15 a 0,2% em peso de Mn.
Também é conseguido por a liga conter 0,1 a 1,5% em peso de Mn, de preferência, 0,5 a 1,0% em peso de Mn, e 0,05 a 1,0% em peso de Cu, de preferência, 0,05 a 0,2% em peso de Cu. A ideia fulcral da invenção consiste na indicação de uma liga de ferro fundido que apresente uma dureza Brinell superior a 220 e que na utilização como disco de travão seja desgastada o mais uniformemente possível. O grafite na liga de ferro fundido pode ser esferoidal (em forma de esfera) ou vermicular (em forma de vermes) mas não lamelar (em forma de lamelas).
Os discos de travão com grafite lamelar são económicos mas são menos resistentes a mudanças de temperatura.
Por isso, mesmo após um tempo de utilização reduzido já podem surgir as chamadas fissuras por choque térmico que aumentam rapidamente e provocam irregularidades na superfície. E uma superfície irregular, por sua vez, provoca esforços térmicos irregulares, desgaste irregular e o chamado "gaguejar" do travão.
Outras aplicações da liga de fundição esferoidal segundo 6 a invenção são peças de eixo e de suspensão para carros pesados e carros ligeiros como, por exemplo, braços oscilantes transversais, suportes de roda e chumaceiras de articulação que estão sujeitos a elevados esforços mecânicos e dinâmicos e que em caso de um choque do carro têm de deformar-se plasticamente e não podem quebrar.
Exemplo 1
Um disco de travão foi fabricado da liga de fundição esferoidal segundo a invenção. A composição química era a seguinte: 3,34% em peso de C, 2,92% em peso de Si, 0,62% em peso de Cu, 0,17% em peso de Mn, 0,038% em peso de Mg, 0,025% em peso de P, 0,021% em peso de Cr, 0,01% em peso de Al, 0,001% em peso de S e 0,0008% em peso de B, resto Fe e as habituais impurezas. O disco de travão foi examinado quanto ao número de esferolitos, teor de grafite, forma de grafite e tamanho de grafite, teor de perlite e dureza Brinell.
Amostras do disco de travão foram sujeitas a um ensaio de tracção a fim de ser definido o comportamento de resistência/alongamento. O número de esferolitos era de 384 +/- 76 esferolitos por mm2 . O teor de fundição era de 9,7 +/- 0,7%. A forma de grafite segundo a DIN EN ISO 945 era a 97,9% da forma VI. 7 A distribuição granulométrica segundo a DIN EN ISO 945 era a 45% do tamanho 8, 42% do tamanho 7 e 13% do tamanho 6. O teor de perlite era de 84 +/- 1%. A dureza Brinell era de 248 +/- 3 HB. No ensaio de tracção foram detectados os seguintes valores: limite de alongamento Rp 0.2 = 474 MPa, resistência à tracção Rm = 778 MPa, alongamento de ruptura A5 = 11,4% e módulo de elasticidade E = 165 a 170 kN/mm2.
Em comparação com os materiais conhecidos para discos de travão, foi possível constatar um comportamento de oxidação muito melhor (ver FIG 1) e uma tendência muito mais reduzida para formar fissuras por choque térmico (ver FIG 2 e FIG 3). O comportamento de oxidação e, por conseguinte, também o comportamento de desgaste são melhorados significativamente, adicionando-se à liga de fundição esferoidal uma mistura de cobre e/ou manganês.
Na FIG 1 é representado o aumento de peso em gramas por metro quadrado e dia devido à oxidação a 700 °C ao ar. O material segundo a invenção mostra um aumento de peso de cerca de 9 g/m2 .d, em comparação com um material de ferro fundido para discos de travão convencionais com um aumento de peso de cerca de 21 g/m2.d.
Os ensaios para verificar a formação de fissuras por choque térmico foram realizados da forma seguinte: Uma amostra com as dimensões de 40 x 20 x 7 mm foi sujeita a pelo menos 100 ciclos constituídos por 7 segundos de aquecimento para 700 °C e 6 segundos de arrefecimento em água. A seguir, foram fabricadas secções transversais, examinadas debaixo do microscópio e fotografadas.
Na FIG 2 é representada uma microfotografia de um disco de travão habitual com uma fissura por choque térmico com uma profundidade de 0,4 mm.
Na FIG 3 é representada uma outra microfotografia do disco de travão segundo a invenção com a mesma ampliação, com uma fissura por choque térmico com uma profundidade de 0,14 mm.
Exemplo 2
Um braço oscilante transversal para carros ligeiros foi fabricado da liga de fundição esferoidal segundo a invenção. A composição química era a seguinte: 3,5% em peso de C, 2,85% em peso de Si, 0,63% em peso de Cu, 0,18% em peso de Mn, 0,038% em peso de Mg, 0,026% em peso de P, 0,029% em peso de Cr, 0, 004% em peso de Al, 0,001% em peso de S e 0,0007% em peso de B, resto Fe e as habituais impurezas.
No ensaio de tracção foram definidos os seguintes valores: limite de alongamento Rp 0.2 = 465 MPa, 9 resistência à tracção Rm = 757 MPa, alongamento de ruptura A5 = 11,1% e módulo de elasticidade E = 165 a 170 kN/mm2. A dureza Brinell era de 258 + /- 3 HB.
Exemplo 3
Um suporte de roda para carros ligeiros foi fabricado da liga de fundição esferoidal segundo a invenção. A composição química era a seguinte: 3,43% em peso de C, 3,38% em peso de Si, 0,71% em peso de Cu, 0,2% em peso de Mn, 0,037% em peso de Mg, 0,047% em peso de P, 0,043% em peso de Cr, 0,012% em peso de Al, 0,004% em peso de S e 0,0008 em peso de B, resto Fe e as habituais impurezas.
No ensaio de tracção foram definidos os seguintes valores: limite de alongamento Rp 0.2 = 558 MPa, resistência à tracção Rm = 862 MPa e alongamento de ruptura A5 = 6,1%. A dureza Brinell era de 288 HB. 0 número de esferolitos na microestrutura era de 455 esferolitos por mm2.
Na FIG 4 é representado o alongamento de ruptura A5 em função da resistência à tracção Rm. A linha contínua indica os valores mínimos de acordo com a norma EN 1563 para ferro fundido com grafite esferoidal de qualidades fabricadas no estado de fundição. 10
As medições do material segundo a invenção encontram-se registadas de acordo com os exemplos 1 a 3 acima indicados.
Na FIG 5 é representado o alongamento de ruptura A 5 em função do limite de alongamento Rp 0.2. A linha continua indica os valores mínimos de acordo com a norma EN 1563 para ferro fundido com grafite esferoidal de qualidades fabricadas no estado de fundição.
As medições do material segundo a invenção encontram-se registadas de acordo com os exemplos 1 a 3 acima indicados.
As propriedades da liga de fundição esferoidal segundo a invenção situam-se, assim, muito acima da Norma Europeia EN 1563 para ferro fundido com grafite esferoidal e atingem os valores de ADI (= Austempered Ductile Iron), um material de ferro fundido fabricado através de um tratamento térmico muito dispendioso, com paredes de maior espessura realizável apenas pela adição dos elementos caros níquel e/ou molibdénio e, por isso muito caro, normalizado na Europa pela norma EN 1564. A FIG 6 mostra as áreas de resistência perante o alongamento de ruptura dos materiais ligas de fundição de alumínio, ferro fundido com grafite esferoidal, ADI e do material segundo a invenção com os exemplos registados de 1 a 3. A uniformidade da estrutura é conseguida também por um novo método de fundição. 11 0 molde de fundição é dividido na horizontal em vez de na vertical, sendo que os discos de travão se encontram dispostos na horizontal e o enchimento do molde de fundição se realiza a partir do centro em direcção ao bordo do disco de travão, o que tem por consequência que o molde de fundição seja preenchido de forma axialmente simétrica e que o disco de travão arrefeça depois da fundição uniformemente do interior para o exterior.
Desta forma, é conseguida em toda a periferia do disco de travão uma estrutura homogénea uniforme.
Deixa de ser necessário um tratamento térmico posterior moroso e economicamente dispendioso. LISBOA, 28 de OUTUBRO de 2010
Claims (17)
1 REIVINDICAÇÕES 1. Liga de fundição esferoidal para produtos de ferro fundido com uma elevada resistência mecânica, uma elevada resistência ao desgaste e, simultaneamente, uma elevada tenacidade, abrangendo como elementos não ferrosos C, Si, P, Mg, Cr, Al, S, B, Cu, Mn e as habituais impurezas, caracterizado por a liga de fundição esferoidal conter 3,0 a 3,7% em peso de C, 2,6 a 3,4% em peso de Si, 0,02 a 0,05% em peso de P, 0, 025 a 0, 045% de Mg, 0,01 a 0,03% em peso de Cr, 0,003 a 0,017% em peso de Al, 0,0005 a 0,009% em peso de S, 0, 0004 a 0,002% em peso de B, 0,1 a 1,5% em peso de Cu, de preferência, 0,5 a 0,8% em peso de Cu, e 0,1 a 1,0% em peso de Mn, de preferência, 0,15 a 0,2% de Mn, resto Fe e as impurezas inevitáveis.
2. Liga de fundição esferoidal de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a liga conter 0,1 a 1,5% em peso de Mn, de preferência, 0,5 a 1,0% em peso de Mn, e 0,05 a 1,0% em peso de Cu, de preferência, 0,05 a 0,2% em peso de Cu.
3. Liga de fundição esferoidal de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por o teor de grafite apresentar imediatamente após a fundição e o arrefecimento em mais de 90% de grafite existente a forma esferoidal e/ou vermicular. 2
4. Liga de fundição esferoidal de acordo com uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizada por, imediatamente após a fundição e o arrefecimento, a estrutura cristalina da peça fundida ser a 70 a 90% perlitica.
5. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizada por, imediatamente após a fundição e o arrefecimento, a estrutura cristalina da peça fundida apresentar 200 a 700 esferolitos por mm2.
6. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizada por a peça fundida apresentar uma dureza Brinell superior a 220.
7. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizada por as partículas de grafite apresentarem uma distribuição granular de pelo menos 30% do tamanho 8, 10% a 70% do tamanho 7 e, no máximo, 20% do tamanho 6, em conformidade com a DIN EN ISO 945.
8. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizada por a peça fundida apresentar um alongamento de ruptura A5 de 5 a 14% com uma resistência à tracção Rm de 900 a 600 MPa. 3
9. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizada por a peça fundida apresentar um alongamento de ruptura A5 de 14% com um limite de alongamento Rp 0.2 de 600 a 400 MPa.
10. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizada por ser utilizada para o fabrico de peças de suspensão em automóveis.
11. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 9 caracterizada por ser utilizada para o fabrico de braços oscilantes transversais em automóveis.
12. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizada por ser utilizada para o fabrico de suportes de rodas em automóveis.
13. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizada por ser utilizada para o fabrico de chumaceiras de articulação em automóveis.
14. Liga de fundição esferoidal de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizada por 4 ser utilizada para o fabrico de discos de travão em automóveis.
15. Processo para o fabrico de uma peça de fundição a partir de uma liga de fundição esferoidal de acordo com uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado por após a fundição e o arrefecimento da peça de fundição não se realizar um tratamento térmico da peça de fundição.
16. Processo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por a peça de fundição ser um disco de travão, o molde de fundição ser dividido na horizontal e o disco de travão ser disposto horizontalmente no molde de fundição.
17. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por o molde de fundição ser preenchido a partir do centro do disco de travão, de forma axialmente simétrica. LISBOA, 28 de OUTUBRO de 2010
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