Aleación de hierro gris de alta resistencia para motores de combustión y fundiciones en hierro en general.

Una aleación de hierro gris de alta resistencia, en donde

- El equivalente del carbón (CE) está definido en el intervalo de 3,

6% - 4,0% en peso, manteniendo el contenido de C de 2,8% - 3,2%.

- El contenido de Cr está definido en un 0,4% máximo y, cuando está asociado con Mo, el rango definido % de Cr + % de Mo ≤ 0,65%.

- El Cu y Sn se asocian de acuerdo con la siguiente ecuación 0,010% ≤ [% de Cu/10 + % de Sn] ≤ 0,021%. - El contenido de Mn está definido entre 0,4 % y 0,5%, y asociado con el % de S, los contenidos de S y Mn están definidos en los siguientes intervalos calculados para la relación [% de Mn / % de S]:

- Mn ≥ 0,40% Rango: Mn/S ≥ 3,3 a 3,9

- Mn ≥ 0,47% Rango: Mn/S ≥ 4,0 a 5,0

- Mn ≥ 0,50% Rango: Mn/S ≥ 4,9 a 6,0

- El contenido de Si está definido en el intervalo de 2,0% hasta 2,40%.

- El contenido de "P" está definido en el intervalo de: % de P ≤ 0,10%.

- y el resto correspondiente a hierro e impurezas inevitables.

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DESCRIPCIÓN

Aleación de hierro gris de alta resistencia para motores de combustión y fundiciones en hierro en general La presente invención define una nueva clase de aleación de hierro gris, con una resistencia a la tracción más elevada, al mismo tiempo que se mantienen las condiciones de maquinabilidad compatibles con las aleaciones de hierro gris tradicionales. Más específicamente, el material producido puede ser utilizado ya sea en motores de combustión con tasas de compresión elevadas, o en fundiciones de hierro en generales y motores de combustión tradicionales en donde un objetivo es la reducción del peso.

Estado del arte Las aleaciones de hierro gris, conocidas desde finales del siglo XIX, han llegado a tener un éxito absoluto en la industria automotriz debido a sus propiedades sobresalientes, requeridas principalmente por los motores de combustión. Algunas de estas características de una aleación de hierro gris han sido reconocidas durante un largo tiempo porque presentan:

â Una excelente conductividad térmica â Una excelente capacidad de amortiguamiento de la vibración â Un excelente nivel de maquinabilidad â Una tasa de contracción relativamente pequeña (baja tendencia a la formación de porosidades internas en las fundiciones de hierro) â Un buen nivel de fatiga térmica (cuando se utiliza una aleación a base de molibdeno)

Sin embargo, debido a los requerimientos crecientes de los motores de combustión tales como mayor potencia, menor consumo de combustible y menos emisiones para propósitos ambientales, las aleaciones de hierro gris tradicionales difícilmente logran la resistencia mínima a la tracción requerida por los motores de combustión con tasas de compresión más elevadas. En general, como una simple referencia, tales requerimientos de resistencia a la tracción empiezan como mínimo en 300 MPa, en un lugar principal de soporte sobre los bloques del cilindro o en el sitio ubicado enfrente del fuego sobre las culatas.

De manera precisa, la gran limitación de las aleaciones de hierro gris actuales es que las mismas presentan una drástica reducción de las propiedades de maquinabilidad cuando se requiere una tensión más elevada.

Por consiguiente, para resolver tal problema, algunos expertos en metalurgia y en materiales decidieron enfocarse en una aleación diferente: a base de grafito compacto, usualmente conocida como hierro al grafito compactado (CGI) . Muchos artículos describen las propiedades del CGI:

R. D. Grffin, H. G. Li, E. Eleftheriou, C. E. Bates, Machinability of Gray Cast Iron". Atlas Foundr y Company (Reimpreso con permiso del AFS)

F. Koppka y A. Ellermeier, "O Ferro Fundido de Grafita Vermicular ajuda a dominar altas pressões de combustão", Revista MM, enero / 2005.

Marquard, R & Sorger, H. "Modern Engine Design". CGI Design and Machining Workshop, Sintercast -PTW Darmstadt, Bad Homburg, Alemania, noviembre 1997.

Palmer, K. B. "Mechanical properties of compacted graphite iron". BCIRA Reporte 1213, páginas 31 -37, 1976.

ASM. Speciality handbook: cast irons. Estados Unidos: ASM International, 1996, páginas 33 -267.

Dawson, Steve et al. The effect of metallurgical variables on the machinability of compacted graphite iron. En: Design and Machining Workshop -CGI, 1999.

En realidad, se han hecho varias solicitudes de patente con respecto al proceso de CGI:

â Patente de los Estados Unidos No. 4.667.725 del 26 de mayo de 1987 a nombre de Sinter-Cast AB (Viken, SE) . Un método para la producción de coladas a partir de hierro fundido que contiene aditivos modificadores de la estructura. Se deja que una muestra de un baño de hierro fundido solidifique durante 0, 5 a 10 minutos.

â Documento WO9206809 (A1) del 30 de abril de 1992 a nombre de SINTERCAST LTD. Un método para controlar y corregir la composición de la colada de hierro fundido y asegurar la cantidad necesaria del agente modificador de la estructura.

Aunque la aleación de CGI presenta una resistencia a la tracción sobresaliente, también presenta otras limitaciones serias con respecto a sus propiedades o industrialización. Entre tales limitaciones, se pueden enfatizar:

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â Una menor conductividad térmica; â Una menor capacidad de amortiguación de la vibración; â Un menor nivel de maquinabilidad (por consiguiente, costos de maquinación más elevados) ; â Una tasa de contracción más elevada (por consiguiente, una tendencia más elevada a la formación de porosidades internas) ; y â Una menor estabilidad a nivel de microestructura (que depende fuertemente del espesor de la pared de la fundición de hierro) .

En este escenario, el desafío fue crear una aleación que mantuviera las propiedades sobresalientes similares de la aleación de hierro gris, junto con una amplia interfaz de resistencia a la tracción de la aleación de CGI. Este es el alcance de la presente invención.

Actualmente, el método para obtener una fundición de hierro gris, en las fundiciones, tiene las siguientes etapas:

â Fase de fundición: la carga (residuos, arrabio, acero, etc.) es fundida por medio de hornos de cubilote, de inducción o de arco. â Balance químico: efectuado usualmente sobre el lote líquido dentro del horno de inducción, para ajustar los elementos químicos (C, Si, Mn, Cu, S, etc.) de acuerdo con la especificación requerida.

â Fase de Inoculación: llevada a cabo comúnmente en la cuchara de colada o en la operación del molde de vertido (cuando se utilizan hornos de vertido) , con el fin de promover suficiente núcleo para evitar la formación indeseable de carburo.

â Fase de vertido: llevada a cabo en la línea de moldeo a una temperatura de vertido usualmente definida en un intervalo para evitar orificios por soplado, que se calcine la arena y la contracción después de la solidificación de la fundición de hierro. En otras palabras, la temperatura de vertido se define realmente como una función de la firmeza del material de la fundición de hierro.

â Fase de desmoldado: efectuada usualmente cuando la temperatura de la fundición de hierro, dentro del molde, se enfría holgadamente bajo la temperatura eutectoide (= 700 º C) .

Tal proceso es aplicado en las fundiciones en todo el mundo y ha sido el objeto de muchos libros, documentos y artículos técnicos:

â Gray Iron Founders' Society: Casting Design, Volumen II: Taking Advantage of the Experience of Patternmaker and Foundr y man to Simplify the Designing of Castings, Cleveland, 1962. â Straight Line to Production: The Eight Casting Processes Used to Produce Gray Iron Castings, Cleveland, 1962.

Henderson, G. E. y Roberts, â Metals Handbook, 8ª Edición, Vols. 1, 2, y 5, publicada por la American Society for Metals, Metals Park, Ohio. â Gray & Ductile Iron Castings Handbook (1971) publicada por Gray and Ductile Iron Founders Society, Cleveland, Ohio. â Gray. Ductile and Malleable, Iron Castings Current Capabilities. ASTM STP 455, (1969) â Ferrous Materials: Steel and Cast Iron by Hans Berns, Werner Theisen, G. Scheibelein, Springer; 1ª edición (24

de octubre de 2008) â Microstructure of Steels and Cast Irons Madeleine Durand-Charre Springer; 1ª edición (15 de abril de 2004) â Cast Irons (Asm Specialty Handbook) ASM International (1 de septiembre de 1996) .

El documento WO 2004/083474 enseña una composición de una aleación de hierro para la producción de un bloque de cilindros y/o fundiciones de culatas. Esta aleación de hierro comprende hierro, carbono, silicio, manganeso, fósforo, azufre, estaño, cobre, cromo, molibdeno y nitrógeno. El principal aspecto de la invención se relaciona con el contenido de nitrógeno de la aleación que está en el intervalo de 0, 0095 -0, 0160%. Por otra parte, no hay ninguna referencia específica con respecto a las relaciones específicas entre los contenidos de Cr/Mo, Gu/Sn o Mn/S.

El documento JP 10096040 enseña una aleación de fundición gris proporcionada para mejorar la resistencia a la tracción y la resistencia a la fatiga, así como la facilidad de corte mediante la especificación el tamaño del grafito. Esta fundición gris tiene una composición que consta de, en peso, 2, 8 -3, 8% de C, 1, 5 -2, 5% de Si, 0, 4 -1, 0% de Mn, <= 0, 1% de P, 0, 02 -0, 30% de S, 0, 02 -2, 0% de Cu, 0, 01 -0, 10% de Sn, 0, 01 -0, 10% de Ca, y el resto Fe con las impurezas inevitables y también tiene una estructura de <= 300 μm de tamaño del grafito, y, además, la dureza Vickers se regula hasta Hv160-240. Debido a que el tamaño del grafito se hace... [Seguir leyendo]

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1. Una aleación de hierro gris de alta resistencia, en donde â El equivalente del carbón (CE) está definido en el intervalo de 3, 6% -4, 0% en peso, manteniendo el contenido de C de 2, 8% -3, 2%. â El contenido de Cr está definido en un 0, 4% máximo y, cuando está asociado con Mo, el rango definido % de Cr + % deMo â 0, 65%. â El Cu y Sn se asocian de acuerdo con la siguiente ecuación 0, 010% â [%de Cu/10 +% deSn] â 0, 021%.

â El contenido de Mn está definido entre 0, 4 % y 0, 5%, y asociado con el % de S, los contenidos de S y Mn están definidos en los siguientes intervalos calculados para la relación [% de Mn / % de S]:

â Mn = 0, 40% Rango: Mn/S = 3, 3 a 3, 9 â Mn = 0, 47% Rango: Mn/S = 4, 0 a 5, 0 â Mn = 0, 50% Rango: Mn/S = 4, 9 a 6, 0

â El contenido de Si está definido en el intervalo de 2, 0% hasta 2, 40%. 15 â El contenido de "P" está definido en el intervalo de: % de P â 0, 10%. â y el resto correspondiente a hierro e impurezas inevitables.

2. La aleación de hierro gris de alta resistencia, de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las propiedades físicas son:

Tasa de Transferencia del calor (W/m º K) : 45 a 60 Dureza (HB) 230 a 250 Resistencia a la Tracción (MPa) 300 a 370 Resistencia a la Fatiga (MPa) : Por Bandas rotatorias 170 a 190

Fatiga Térmica (Ciclos) : Intervalo de Temperatura 50 º C-600 º C 20 x 103 Maquinabilidad (Km) : Molienda por herramienta cerámica a una velocidad de 400 m/Min: 9 a 11 Microestructura perlit.

98. 100% grafito A, 4/7 Tendencia a la Contracción (%) 1, 0 a 2, 0

Factor de amortiguamiento (%) 90 a 100 Velocidad de Poisson: a Temperatura Ambiente 0, 25 a 0, 27

3. La aleación de hierro gris de alta resistencia, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, en donde el número de celdas eutécticas sobre la microestructura se incrementa desde 20% hasta 100%, con relación a las aleaciones de hierro gris tradicionales.