BRPI1103921A2 - camisa de cilindro e liga de ferro fundido - Google Patents
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Abstract
CAMISA DE CILINDRO E LIGA DE FERRO FUNDIDO. A presente invenção refere-se a uma liga de ferro fundido que apresenta uma morfologia de grafita nodular (3). Tal liga tem aplicação na fabricação de camisas de cilindro para motores de combustão interna e apresenta como vantagens melhores propriedades mecânicas, resultando em camisas de cilind ro dotadas de espessura reduzida, o que se reflete em motores mais leves, duráveis e de melhor desempenho.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CAMISA DE CILINDRO E LIGA DE FERRO FUNDIDO".
A presente invenção refere-se a uma liga de ferro fundido nodu- Iar para aplicação em componentes de motor de combustão interna, mais concretamente em camisas de cilindro, cujas propriedades mecânicas resul- tam vantajosas frente ao estado da técnica, permitindo ao mesmo tempo aumentar a potência dos motores e reduzir ao seu peso. Descrição do Estado da Técnica
Camisas de cilindro aplicadas em motores de combustão interna são componentes de motor que sofrem significativo desgaste devido ao tipo de trabalho que desempenham.
Em função das novas demandas de mercado, os componentes internos dos novos motores sofrem maior exigência e, nesse sentido, neces- sitam apresentar soluções capazes de garantir melhor desempenho, e também de contribuir para uma maior confiabilidade e maior rendimento do motor.
É com base nesse princípio que diversos fabricantes de compo- nentes automotivos buscam diversas soluções técnicas, nomeadamente pa- ra camisas de cilindros de motores de combustão interna, entre outros. Uma das possíveis soluções que permite melhorar o desempe-
nho de motores pode ser alcançada através de um aperfeiçoamento de ma- terial utilizado para produzir as camisas de cilindro. Nesse sentido, alguns avanços são propostos, nomeadamente naquelas camisas de cilindro com- preendidas por ligas de ferro fundido. Uma das principais ligas aplicadas na produção de camisas de
cilindro do estado da técnica é a liga de ferro fundido cinzento. Tal liga apre- senta um custo reduzido e boa usinabilidade devido à presença de grafita livre em sua microestrutura. De todo o modo, a morfologia do ferro fundido cinzento é dotada de uma grafitização vermicular distribuída em uma micro- estrutura perlítica que acaba por comprometer importantes propriedades mecânicas, tais como a resistência à tração, a rigidez e a resistência à fadi- ga· Tal realidade decorre devido à presença de grafita na forma de veios dispersa em rede em uma matriz de microestrutura perlítica, de distri- buição aleatória, o que resulta em uma quantidade de vazios interligados adicionado a uma possível propagação de trincas no material em função do efeito entalhe devido à ponta da grafita. Em outras palavras, camisas de ci- lindro compostas por ferro fundido cinzento não possuem a característica de deformação plástica.
Na tentativa de melhorar as propriedades dos materiais aplica- dos na produção de camisas de cilindro, foram propostas ligas com a finali- dade de minimizar os inconvenientes das ligas de ferro fundido cinzento. Para tal, foram apresentadas soluções à base de ligas de ferro fundido perli- tico vermicular, resultando em melhores propriedades quando comparado com o material perlitico Iamelar convencional.
Nesse sentido, o documento de patente PI9704066-5 descreve uma liga de ferro fundido para a fabricação de anéis de embolo de máquinas de combustão interna onde é descrita uma liga de ferro fundido com alta re- sistência ao calor. Tal liga é compreendida por uma estrutura básica predo- minantemente perlítica apresentando precipitações de grafita na forma ver- micular e de nódulos. Muito embora o documento faça uma rápida menção a outras possíveis aplicações, apontando como hipótese a aplicação em cami- sas de cilindro, não se debruça sobre o assunto, abrindo as portas para pos- síveis aplicações de diferentes ligas de ferro fundido em diversos componen- tes de motor.
Note-se que a literatura especializada identifica um limite típico de 30% de grafita na forma nodular em um material pretendido com grafita na forma vermicular. Assim sendo, é comum um material que apresente-se como uma liga de ferro fundido vermicular apresentar uma percentagem de grafita na forma de nódulos (vide figura 1).
Ainda assim, mesmo com uma liga de ferro fundido cuja grafita apresenta uma morfologia mais grossa e nodular não é o suficiente para ga- rantir um desempenho excelente em camisas de cilindro, sem considerar que o custo de uma camisa de cilindro na solução apresentada no documen- to de patente PI9704066-5, por exemplo, apresenta inconvenientes no quesi- to referente à viabilidade em escala industrial de produção.
Faz-se, portanto, necessário apresentar uma liga que proporcio- ne alcançar uma morfologia de grafita ao nível que evite os problemas do estado da técnica, oferecendo uma solução para camisas de cilindro com excelentes propriedades mecânicas.
Assim, cumpre notar que não existe ainda uma solução tecnoló- gica para camisas de cilindro que permita uma melhor propriedade mecânica que resulte na possibilidade de redução da espessura de suas paredes, bem como aumento na resistência à cavitação e à corrosão. Objetivos da Invenção
É, portanto, um objetivo da presente invenção prover uma cami- sa de cilindro compreendida por uma liga capaz de melhorar as suas propri- edades mecânicas com vista a alcançar uma maior eficiência do motor com uma maior durabilidade.
É, ainda, um objetivo da presente invenção, propor uma camisa de cilindro capaz de proporcionar um aumento de desempenho a um motor de combustão, bem como uma redução de seu peso final.
Por fim, é também um objetivo propor uma liga de ferro fundido dotada de grafitização nodular capaz de proporcionar aos elementos de um motor, as características acima definidas. Breve Descrição da Invenção
Os objetivos da presente invenção são alcançados através da provisão de uma camisa de cilindro para aplicação em um motor de combus- tão interna, onde a camisa é composta por uma liga de ferro fundido dotada de uma estrutura perlítica com pelo menos 70% de grafitização com morfo- logia nodular, sendo que a camisa de cilindro compreende uma resistência à fadiga superior a 230 Megapascal (MPa).
Os objetivos da presente invenção são também alcançados a- través da provisão de uma liga de ferro fundido para fabricação de compo- nentes de um motor de combustão interna, liga essa que é dotada de uma estrutura perlítica com pelo menos 70% de grafitização nodular, a liga de ferro fundido contendo pelo menos 2,8% a 4,0% em peso de carbono; 1,8% a 3,5% em peso de silício; 0,2% a 1,0% em peso de manganês; um máximo de 0,5% em peso de fósforo; um máximo de 0,05% em peso de enxofre; um máximo de 0,5% em peso de vanádio; um máximo de 0,5% em peso de mo- libdênio; 0,2% a 1,5% em peso de níquel; um máximo de 0,5% em peso de estanho; 0,005% a 0,06% em peso de magnésio e ferro como restante. Breve Descrição dos Desenhos
A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri- ta com base em exemplos de execução representados nos desenhos. As figuras mostram:
a figura 1 - é uma micrografia de uma liga de ferro fundido do es- tado da técnica; e
a figura 2 - é uma micrografia de uma liga de ferro fundido da presente invenção. Descrição Detalhada das Figuras
A presente invenção refere-se uma liga de ferro fundido nodular, bem como uma camisa de cilindro produzida com essa liga. Tal liga apresen- ta majoritariamente uma morfologia de grafita predominantemente nodular. Por outras palavras e de acordo com a figura 2, em uma matriz de ferro 1, predominará a chamada grafitização com morfologia nodular 3, existindo um valor residual (não superior a 30%) de grafita com morfologia vermicular 2 (vide figura 1). Assim, a morfologia nodular da grafita oscilará entre 70% e 100% tal como exemplifica a figura 1.
Tendo como objetivo evitar a formação de grafita em forma de veios sabendo-se que um aumento da quantidade de magnésio promove a sua redução, foi idealizada uma liga de ferro fundido perlitico com excelente aplicabilidade em camisas de cilindro.
Tal liga de ferro fundido apresenta pelo menos 70% de grafitiza- ção nodular 3 e contém pelo menos 2,8% a 4,0% em peso de carbono; 1,8% a 3,5% em peso de silício; 0,2% a 1,0% em peso de manganês; um máximo de 0,5% em peso de fósforo; um máximo de 0,05% em peso de enxofre; um máximo de 0,5% em peso de vanádio; um máximo de 0,5% em peso de mo- libdênio; 0,2% a 1,5% em peso de níquel; um máximo de 0,3% em peso de estanho; 0,005% a 0,06% em peso de magnésio e ferro como restante.
Adicionalmente, a liga da presente invenção contém pelo menos um entre os elementos cobre, cobalto, titânio, nióbio, boro, alumínio, molib- dênio, zircônio, nitrogênio, antimônio, arsênico e bismuto em um total de até 7,0% em peso do total da liga.
Note-se que a presente liga de ferro fundido nodular pode variar os elementos químicos entre os valores apresentados, conquanto que apre- sente uma morfologia superior a 70% de grafita nodular 3, podendo inclusive ser alcançada a quantidade máxima de 100%.
A liga de ferro fundido nodular da presente invenção foi especi- almente desenvolvida para camisas de cilindro de motores de combustão interna garantindo dessa forma que as principais características deste tipo de liga sejam intrínsecas as camisas de cilindro. Diversas vantagens deste tipo de liga decorrem do fato da grafita
permanecer livre na matriz metálica, porém em forma nodular. Este formato da grafita promove um maior módulo de elasticidade do material, conferindo características próximas do aço convencional neste aspecto.
Muito embora seu custo seja ligeiramente superior quando com- parado ao ferro fundido cinzento, que possui grafita em forma de veios, a melhoria ao nível das propriedades mecânicas nas camisas de cilindro com- pensam perfeitamente tal diferença.
Assim, a liga da presente invenção, quando comparada com as ligas do estado da técnica, permite oferecer camisas de cilindro dotadas de maior resistência mecânica em geral, e boa resistência à corrosão devido à condição de haver grafita descontínua em forma de nódulos.
Assim, quando comparada com as ligas do estado da técnica, a liga da presente invenção apresenta valores típicos bastante superiores que podem ser traduzidos pela tabela abaixo.
30 Tabela 1: Comparação entre os resultados obtidos para os diferentes tipos de ligas de ferro fundido
Propriedade Ferro fundi- Dife- Ferro fundido Dife- Ferro fundi- do cinzento rença vermicular rença do nodular Resistência à tração (MPa) 235 113% 500 30% 650 Modulo de Elasticidade (GPa) 110 27% 140 18% 165 Resistência à fadiga (MPa) 100 105% 205 29% 265 Condutividade térmica W/(mK) 48 -27% 35 -20% 28 Dureza (HB) 200 13% 225 20% 270 Tensão de escoamento (0,2%) 160 138% 380 12% 425
Tal como fica evidente pela tabela acima, a liga da presente in- venção permite alcançar camisas de cilindro cujas propriedades mecânicas são notoriamente superiores às ligas de ferro fundido do estado da técnica.
Note-se que a única característica que não teve uma melhora expressiva é a condutibilidade térmica. De modo geral, mesmo sendo me- nos capaz de dissipar o calor gerado na combustão do motor, tal dado deve ser analisado à luz da demais características. Nesse sentido, nota-se que a camisa de cilindro da presente invenção apresenta como característica adi- cional uma facilidade quanto à redução da espessura de sua parede. Tal redução, que poderá variar entre os 15% e 30%, podendo ser superior a 55%, certamente neutraliza a eventual desvantagem do material da presente invenção no quesito condutibilidade térmica face ao estado da técnica. Porém, a redução da espessura da camisa de cilindro permite
também reduzir ao peso do motor. A título de exemplo, considerando um motor que faça uso de camisas de ferro fundido do estado da técnica cujo peso seja de 6,5kg, a redução de peso permitida pela presente liga pode gerar camisas com apenas 3kg. Obviamente que tal redução se refletirá em um melhor rendimento do motor e, consequentemente, menor emissão de poluentes. Deve-se notar ainda que a possibilidade de redução da espessu- ra da camisa apresenta enormes vantagens em montagens de camisa seca.
Adicionalmente, a camisa de cilindro pode ser submetida a um tratamento térmico, do tipo recozimento, indução, etc., após pelo menos du- as etapas de usinagem, seguido de um novo tratamento térmico, do tipo normalização ou equivalente, após pelo menos três etapas de usinagem. Tais tratamentos térmicos e usinagens têm como objetivo melhorar a usina- bilidade, removendo tensões residuais da superfície e uniformizando a mi- croestrutura do material para extrair ótimas propriedades mecânicas.
Assim, é possível equacionar um projeto de uma camisa de ci- lindro em função do resultado que se deseja obter. Por um lado pode ser mantida a espessura da camisa, o que aumentará bastante a vida útil do motor ou, por outro lado, pode ser reduzida a espessura com vista a melho- rar a potência e desempenho do motor.
Adicionalmente, cumpre notar que a maior rigidez da camisa de cilindro da presente invenção permite um aumento da resistência à cavita- ção.
Note-se ainda que tal liga pode também ser aplicada na fabrica- ção de anéis de pistão ou componentes do eixo do comando de válvulas.
Referindo-se ainda que, em função da grande melhora que a li- ga e camisa da presente invenção proporcionam, resta claro que embora com um custo superior, a relação positiva do custo em função do desempe- nho mostra-se comercialmente muito interessante para motores que exigem alta resistência dos componentes.
Tendo sido descrito exemplos de concretizações preferidas, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.
Claims (15)
1. Camisa de cilindro para aplicação em um motor de combustão interna, caracterizada pelo fato de que é composta por uma liga de ferro fun- dido dotada de uma estrutura perlítica com pelo menos 70% de grafitização com morfologia nodular (3), a camisa de cilindro compreendendo uma resis- tência à fadiga superior a 230 Mega Pascal (MPa).
2. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zada pelo fato de que a liga de ferro fundido contém pelo menos 2,8% a 4,0% em peso de carbono; 1,8% a 3,5% em peso de silício; 0,2% a 1,0% em peso de manganês; um máximo de 0,5% em peso de fósforo; um máximo de 0,05% em peso de enxofre; um máximo de 0,5% em peso de vanádio; um máximo de 0,5% em peso de molibdênio; 0,2% a 1,5% em peso de níquel; um máximo de 0,3% em peso de estanho; 0,005% a 0,06% em peso de magnésio e ferro como resíduo.
3. Camisa de cilindro de acordo as reivindicações 1 e 2, caracte- rizada pelo fato de que a microestrutura da liga de ferro fundido compreende até 15% em peso de ferrita.
4. Camisa de cilindro de acordo com as reivindicações 1 a 3, ca- racterizada pelo fato de que a liga de ferro fundido contém pelo menos um entre os elementos cobre, cobalto, titânio, nióbio, boro, alumínio, molibdênio, zircônio, nitrogênio, antimônio, arsênico e bismuto em um total de até 7,0% em peso do total da liga.
5. Camisa de cilindro de acordo com as reivindicações 1 a 4, ca- racterizada pelo fato de que a liga de ferro fundido é dotada de uma estrutu- ra perlítica de no mínimo 70% de grafitização nodular (3).
6. Camisa de cilindro de acordo com as reivindicações 1 a 5, ca- racterizada pelo fato de que a camisa de cilindro pode ser submetida a um tratamento térmico de têmpera por indução superficial no diâmetro interno antes de pelo menos uma etapa para produção do componente acabado.
7. Camisa de cilindro de acordo com as reivindicações 1 a 6, ca- racterizada pelo fato de que é submetida a um tratamento térmico após pelo menos duas etapas de usinagem, seguido de um novo tratamento térmico após pelo menos três etapas de usinagem.
8. Camisa de cilindro de acordo com as reivindicações 1 a 7, ca- racterizada pelo fato de que possui uma resistência à tração superior a 550 Megapascal (MPa).
9. Camisa de cilindro de acordo com as reivindicações 1 a 8, ca- racterizada pelo fato de que possui um modulo de elasticidade superior a 150 Gigapascal (GPa).
10. Camisa de cilindro de acordo com as reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que possui uma dureza superior a 230 Brinell (HB).
11. Liga de ferro fundido para fabricação de componentes de motor de um motor de combustão interna, caracterizada pelo fato de que é dotada de uma estrutura perlítica com pelo menos 70% de grafitização nodu- Iar (3), a liga de ferro fundido contendo pelo menos 2,8% a 4,0% em peso de carbono; 1,8% a 3,5% em peso de silício; 0,2% a 1,0% em peso de manga- nês; um máximo de 0,5% em peso de fósforo; um máximo de 0,05% em pe- so de enxofre; um máximo de 0,5% em peso de vanádio; um máximo de -,5% em peso de molibdênio; 0,2% a 1,5% em peso de níquel; um máximo de 0,3% em peso de estanho; 0,005% a 0,06% em peso de magnésio e ferro como resíduo.
12. Liga de ferro fundido de acordo a reivindicação 11, caracteri- zada pelo fato de que a microestrutura da liga de ferro fundido compreende até 15% em peso de ferrita.
13. Liga de ferro fundido de acordo com as reivindicações 11 e -12, caracterizada pelo fato de que a liga de ferro fundido contém pelo menos um entre os elementos cobre, cobalto, titânio, nióbio, boro, alumínio, molib- dênio, zircônio, nitrogênio, antimônio, arsênico e bismuto em um total de até -7,0% em peso do total da liga.
14. Liga de ferro fundido de acordo com as reivindicações 11a -13, caracterizada pelo fato de que a liga de ferro fundido é dotada de uma estrutura perlítica com 100% de grafitização nodular (3).
15. Liga de ferro fundido de acordo com as reivindicações 11a .14, caracterizada pelo fato de que é aplicada ria fabricação de anéis de pis- tão ou componentes do eixo do comando de válvulas.
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