DESAFIOS E TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS NA PRODUÇÃO DE AÇOS VÁLVULA PARA MOTORES

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1 DESAFIOS E TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS NA PRODUÇÃO DE AÇOS VÁLVULA PARA MOTORES Celso Antonio Barbosa Gerente de Tecnologia, P&D MAJOR STEEL MILL PRODUCER OF HIGH ALLOY SPECIALTY STEELS IN SOUTH AMERICA

2 CY 2010 NET SALES US$ 407 Million PRODUCTS 88,300 t EXPORT US$ 128 Million EMPLOYEES 1,435

3 Eletrometal 1961 HISTORY - COMPANIES Aços Villares 1944 Engineering Steels Rolling Mill Rolls High Alloy Steels BUAG Villares Metals 2004 Voest Alpine/BUAG Villares Metals 2007 Sidenor 2000 Villares Metals 1996 Gerdau

4 COMMODITIES COMMODITIES LIGAS DE Ni 0,08 Mt AÇO RÁPIDO 0,1 Mt AÇO VÁLVULA 0,18 Mt AÇO FERRAMENTA 1,0 Mt BARRAS AÇO INOX 4 Mt AÇO INOX 27 Mt 25,000 25,000 USD USD / t AÇO CONSTRUÇÃO MECÂNICA 80 Mt PRODUÇÃO MUNDIAL DE AÇO Mt PREÇO MATERIAIS COM ALTO VALOR TECNOLÓGICO AGREGADO E DEMANDAM UM CONHECIMENTO PROFUNDO DA SUA METALURGIA USD USD / t

5 Villares Metals is acting in 6 Product Lines: Tool Steel High Speed Steel Valve Steel Stainless Steel Specialty Alloy Forged Parts

6 VALVE STEEL INTERNAL COMBUSTION ENGINE VALVES Inner Three Global Supplier

7 ISO 9001: General Application. TS Automotive Application. Ü - Norm - Austenitic Stainless Steels application. AD 2000/WO/TRD100 - Pressure Vessels. Directive 97/23/EC - Austenitic Stainless Steels for Component for Pressure Vassels. AS 9100 / NBR 15100: Aerospace Application. EMBRAER GQP/SQF - Aerospace Application. ISO Environmental Application. NADCAP - National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program. NORSOK - M 650- O&G application.

8 ACTIVITIES Process and Product Development. Customer and Plant Technical Support. Technical Marketing and Promotion of Company Image. New Testing Methods Development. RESOURCES Building Area: 1,600 m 2. R&D expenses: 0,75% of Sales 7 Laboratories, including: * Pilot Scale Melting Shop. * Scanning Electron Microscopy. Library and Machining Shop. FOCUS Increase Sales with new or improved products. Quality Improvement and Cost Reduction. Improving Customer Competitiveness. Technological Support to the Business Strategy Implementation.

9 250 VILLARES METALS INVESTMENT (US$ Millions) (J-M) 2009 (A/08- M/09) 2010 (A/09- M/10) Total

10 Bars Engineering Steel 17% Forged Parts 12% Blanks 1% HSS 4% Tool Steel 26% Specialty Alloys 2% Valve Steel 15% Stainless Steel 23% PRODUCT LINES (% OF VOLUME)

11 .. PRODUCTION PROCESSES Melting EAF1 EAF2 Ladle Metallurgy ladle furnace 1 VD ladle furnace 2 VOD Casting Continuous casting Ingot Casting Vacuum Melting (VIM) and Remelting (VAR + ESR) VIM 1 VIM 2 3 ESR 1 VAR Hot Forming P5000 P2000 Blooming Heat Treatment, Machining and Testing Multi-line Rolling mill

12 VALVE STEELS DEVELOPMENT 1998 = VALVE STEEL PRODUCT LINE IS DEFINED AS CORE BUSINESS - VALVE STEELS IS STRATEGIC FOR THE COMPANY MISSION = QUALITY SYSTEM IS UP GRADED TO QS = IN 4 YEARS VILLARES METALS PRODUCTION RAISED FROM tpy TO tpy OF VALVE STEELS 2003 = VMSA EXPORTED ABOUT t OF VALVE STEELS TO EUROPE & AMERICA 2004 = VMSA WAS CERTIFIED ACCORDING TO TS = VMSA BECAME ONE OF THE 3 MAIN PRODUCER OF VALVE STEELS IN THE WORLDWIDE MARKET 2007 = NEW MODERN ROLLING MILL WAS INSTALLED INCREASING CAPACITY. EQUIPMENT IS ABLE TO PRODUCE COILS FROM RD 5,50 MM TO RD 17,00 MM 2008 = VILLARES INCREASES THE CAPACITY FOR NICKEL BASE ALLOYS PRODUCTION WITH INVESTMENT A SECOND CELL OF VIM+ESR = NEW ALLOYS WITH INTERMEDIATE NICKEL CONTENT WERE DEVELOPED IN THE R&D DEPARTMENT 2008 = TWO NEW FINISHING CELLS INVESTMENT - OPERATION FOR MACHINING + TESTING (EDDY CURRENT + US TESTS) WITH INCREASING CAPACITY 2009 = NEW ALLOYS WITH INTERMEDIATE NICKEL VAT 36 AND VAT 32 - ARE PRESENTED TO THE MARKET WITH INDUSTRIAL PRODUCTION

13 PRODUCTION CAPACITY OF VALVE STEEL FOR EUROPEAN PRODUCERS t/y Villares 2-C 3-B 4- G A-A 6-K 7-V

14 DELIVERIES OF VALVE STEELS BY REGIONS (%tpy) 32 (%) BRAZIL EUROPE SOUTH AMERICA US

15 VALVE STEELS & NICKEL ALLOYS FOR VALVES VILLARES GRADES VILLARES SAE COMMERCIAL W Nr. VV 45 HNV-3 SIL-1/SUH VV 48 HNV-3Low Si - - V 422 HNV VV 33 EV N VV X EV-F VV 53 EV N VV 56 EV N N4718C/N JIS SUH VV85 - Cr VAT 80 A HEV 5 NIMO 80 A VAT 31 V HEV 8 PIROMET 31V - VAT 751 HEV 3 INCONEL Villares is one of the few producers with a complete line of alloys for valves

16 DELIVERED SURFACE FINISHING & TOLERANCES FOR BARS OF STEELS AND NICKEL ALLOYS FOR VALVES APPLICATION ROLLED PRODUCT ROUND BARS: Ø 5,00 - Ø 12,00 MM CENTERLESS GROUND h9 (MARTENSITIC/AUSTENITIC GRADES & Ni ALLOYS) Ø 14,00 - Ø 50,00 MM CENTERLESS GROUND h9 (AUSTENITIC GRADES & NICKEL ALLOYS) Ø 14,00 - Ø 50,00 MM PEELED+POLISHED h11 (MARTENSITIC GRADES) Ø 14,29 - Ø 33,33 MM AS ROLLED SURFACE BARS ( Black Bars ) (AUSTENITIC (WNr /1.4875)+ WNr MARTENSITIC GRADE) ALL PRODUCTS ARE HEAT TREATED AND 100% EDDY-CURRENT +US TESTED

17 Aços Especiais e Ligas de Ni para Válvulas de Motores para Combustão Interna

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20 Principais Materiais Utilizados na Fabricação de Válvulas Aços Martensíticos ( alto silício e alto carbono) Aços Austeníticos Mn Nitrogenados Ligas Austeníticas de Baixo Níquel (Ni-Fe-Cr) Ligas Austeníticas de Alto Níquel (Ni-Cr) Segmentos que a Villares Metals Participa e é Líder Mundial Ligas de Titânio Ligas para Assentos (Facing Alloys / Co; Cr; Ni; W; Mo; Fe; C)

21 Aços Válvula Martensíticos Atualmente Fabricados pela Villares Metals Os Aços Válvula Martensíticos são aplicados principalmente para Válvulas de Admissão, com temperatura de trabalho inferior a 600ºC, podendo ser aplicados a válvulas de exaustão. Apresentam boa resistência à oxidação e à corrosão à quente A resistência mecânica é elevada Limite de Escoamento acima 700MPa (Temp. Ambiente) Limite de Resistência acima de 1000MPa (Temp. Ambiente) Elevada trabalhabilidade a quente

22 Aços Válvula Austeníticos Atualmente Fabricados pela Villares Metals Os Aços Válvula Austeníticos Mn Nitrogenados são aplicados principalmente para Válvulas de Exaustão Apresentam boa resistência à oxidação e à corrosão à quente São endurecíveis por precipitação A resistência mecânica é elevada Limite de Escoamento acima 600MPa (Temp. Ambiente) Limite de Resistência acima de 1000MPa (Temp. Ambiente) Trabalhabilidade a quente menor em relação aos martensíticos

23 Ligas de Ni para Válvula de Alto teor de Ni Ligas de Ni são aplicadas principalmente para Válvulas de Exaustão de motores de alta performance e eventualmente para válvulas de admissão Apresentam elevada resistência à oxidação e à corrosão à quente Tem elevada resistência ao desgaste São endurecíveis por precipitação A resistência mecânica é elevada Limite de Escoamento acima 600MPa (a 600ºC) Limite de Resistência acima de 900 MPa (600ºC) São difíceis de usinar e de conformar

24 Válvulas Válvulas de admissão Menor temperatura de trabalho Combustível e Comburente a temperatura ambiente Gases na câmara de combustão Menor resistência à corrosão Contato somente com o combustível e comburente. Recobrimento na face Eleva resistência aos gases da câmara de combustão Aços Válvula Martensíticos VV45 (HNV 3), VV80 (HNV 6) Válvulas de exaustão Válvula de Maior temperatura de trabalho Exaustão Produtos da combustão Maior resistência à corrosão Produtos corrosivos (SO 2-4, NO x,...) Aços Válvula Austeníticos Mn Nitrogenados VV 50/53/56 Ligas de Ni VAT 751 (Inc.751), VAT 80A (Nim.80A) Válvula de Admissão

25 Tipos de Válvulas As válvulas podem ser feitas de um único material ou de dois materiais soldados por fricção A válvula pode ter (ou não) revestimento na face Monometálica Bimetálica Material mais Resistente Material Menos Resistente Soldagem por fricção

26 Processo de fabricação de Válvulas Extrusão Barras Metálicas Corte das barras em Billets Upsetting Recobrimento da face Stellite/Nitretação Usinagem e acabamento

27 SIMULAÇÃO DO FORJAMENTO DA VÁLVULA REAL VALVE

28 Simulação Numérica do Processo de Extrusão da Válvula Etapa inicial de extrusão ( formação da banana ) Etapa Final ( cunhagem) Gadientes de tensão efetiva [MPa].

29 Variáveis que Afetam as Tendências em Projetos do Trem de Válvula Preço e Escassez do Petróleo Os chamados Dry fuels levam a condições que frequentemente exigem depósito por solda no assento para evitar desagaste. Biodiesel Etanol E85 Gás Natural Hidrogênio Estratégias de Relação Ar/Combustível e de Emissões Maiores temperaturas de operação das válvulas, maiores velocidades de assento, e aumento de particulados que promovem o desgaste. HCCI Estratégias pós-tratamento (SCR, Particle Traps, Increased EGR) Relações estequiométricas Ar/Combustível Freio Motor (Caminhões para Autoestradas) Novas gerações de Sistemas de Injeção Common Rail EGR/SCR Mix

30 Possíveis Efeitos sobre o Projeto de Válvulas Aumento significativo nas temperaturas de operação das válvulas Condições mais severas de operação no assento da válvula : Velocidades de assento maiores Maior desgaste podendo levar a quebra radial

31 Ameaças e Oportunidades Carros de Passeio Motores a Ignição Novas Gerações de Redução de Emissões e Combustível Válvulas de Admissão com aços Nitretáveis mais econômicos que os atuais Sil 1(VV45) RBF a quente igual ou melhor que a Sil 1 a 550ºC Suficiente Resistência ao revenido e para ser nitretada Válvulas de Exaustão 21-2N(VV56) or 21-4N(VV53) mais econômicas RBF a quente igual aos atuais 21-2N e 21-4N Redução de custo suficiente para justificar Testes de Motor Comparável Resistência a Oxidação e Resistência ao Desgates (Dureza a Quente!) Ligas modificadas de Niquel (Inconel 751/Nimonic 80A) para aplicações a muito altas temperaturas ( > 870`C) Válvulas menores -> Maiores cargas térmicas Temperatures crescentes no cilindro O custo das novas ligas deve ser menor do que as válvulas ôcas refrigeradas

32 Novos Desafios: Ameaças e Oportunidades Motores Diesel Novas Gerações de Combustíveis e Redução de Emissões A corrosão ácida Crescente fluxo de EGR Alternativa a ligas de Ni na admissão: O aço VV85 atende mas com maior custo que o aço Sil1 (VV 45)tem levado os projetistas a: Reduzir a percentagem de EGR Condensar os ácidos antes da admissão Aumentar as temperaturas no cilindro para volatilizar os ácidos Necessidade : -Ligas mais econômicas que as atuais ligas de Ni Desgaste de Assento Induzido pelas maiores Pressões de Combustão > 200 Bar (3000 psi) Mesmo os melhores materiais de solda de assento de válvula apresentam desgaste inaceitáveis Necessidade: -Ligas de válvula de admisão e exaustão mais resistentes ao desgaste que não necessitem de solda no assento! Desgaste severo de assento ( > que 2 mm) devido as maiores potências de freio motor Potência do Freio Motor igual à Potência do Motor (Jake Brakes in Europe) Necessidade: -Ligas de válvula de exaustão mais resistentes ao desgaste que não necessitem de solda no assento!

33 Corrosão Ácida Válvula de Admissão Diesel Pováveis modos de Falha induzidos pela corrosão: Trincamento por fadiga cordal Trincamento por fadiga no filete da haste Corrosão do revestimento de cromo da haste

34 Novas Ligas Necessarias para Motores Diesel LigasAlternativas 30-45% Níquel para altas temperaturas e resistentes ao desgaste (>850`C) Tempraturas de cilindro aumentando acima de 830ºC para atender as novas gerações e estratégias de emissões. Ligas de Ni (derivativas de Inconel 751/Nimonic 80A) para aplicações especiais em muito altas temperauturas (>870ºC) Motores Marítmos; Motores Gás Natural de alta potência, etc.

35 Mudanças Esperadas nos Parâmetros de Operação em Válvulas de Motores Diesel 2010 Pressão de Combustão de Pico Atual MPa A partir de 2013 Pressão de Combustão de Pico Futuro MPa (Autoestrada) Futuro - 23 MPa (Transito) Temperatura Operação da Válvula Exaustão º C Admissão º C Temperatura Operação da Válvula Exaustão º C Admissão º C

36 Resumo da Próxima Geração de Projetos de Válvula em Motores Diesel Maior Capacidade para Maiores Pressões e Temperaturas Maior uso de ligas de Niquel Cabeças mais espessas Maiores Diâmetros de Hastes Novos revestimentos de haste e cabeças Melhor Resistência a Corrosão Ácida Maior uso de ligas de Níquel Desempenho comparável usando Biodiesel Redução de Custo Reduzido Tratamento Térmico Eliminação da Solda do Assento Ligas Alternativas de 30-45% Ni

37 O Futuro Ligas Alternativas 30-45% Ni poderão substituir Nimonic 80A/Inconel 751 em aplicações com temperaturas entre 815ºC e 870ºC em automóveis. Ligas Alternativas 30-45% Ni poderão substituir os atuais aços válvula 21-2N(VV56), 23-8N(VV50), 21-4(VV53) em todas as aplicações com temperaturas entre 760ºC e 815ºC.

38 CLEAN STEEL VALVE STEEL CONCEPT Any specific definition of clean steel must included its product service requirements. When non-metallic inclusions are responsible, either directly or indirectly, for lowering fabrication capability or in-service properties or requirements, then the steel is not clean but when there is no such effect, then the steel can be considered to be clean, irrespective of the number, type, size or distribution of non-metallic inclusions. Stuart Millman; Corus, United Kingdom Evaluation and Control of Steel Cleanliness on as-cast martensitic valve steel

39 EVALUATION AND CONTROL OF STEEL CLEANLINESS ON AS-CAST MARTENSITIC VALVE STEELS Importance of Inclusion Control in Valve Steels Valve steel is one of the main core business products of Villares Metals, reaching production around 15,000t / year, which gives us the condition of one of the most important suppliers of this material in the world. Valve steel production is critical mainly due to its high sensitiveness for reoxidation during the refining process in the melting shop. A thorough understanding is necessary in order to review completely the process and to identify all the weak points in its production regardless inclusions.

40 Objectives One of the main objectives is to produce a thorough understanding of the formation, development and separation of inclusions in the secondary refining and continuous casting processes. Therefore, the study comprises: Non-metallic inclusion characterization (composition and size distribution). to evaluate the distribution of different types of non-metallic inclusions along the steelmaking process. Continuous casting to examine the possibilities of modifying the current steelmaking practice to achieve better steel cleanliness.

41 Evaluation and Control of Steel Cleanliness on as-cast martensitic valve steel VV45/N4718 for inclusions > 10 um (100 mm²) Inclusions/mm² After first alloy addition in LF and heating/ homogenization Before VD After VD After VD + soft argon bubbling Process steps um um >40 um Average inclusion size distribution.

42 Valve Steel Continuous Casting Process Valve Steels Produced by Continuous Casting Route (145 mm square billet)

43 REVAMP Equipment /Components Equipments: Dynaflex-Hydraulic-Oscillator Diamold-Mold-Tubes New Stopper Rod Control New Mold Level Control - LevCon New Electromagnetic Stirrer M-EMS - StirrCon Technological Automation Packages with SIEMENS - Simatic S7 and WinCC SIEMENS VAI METALS TECHNOLOGIES has delivered all the equipment and technology for this caster on a turn key basis.

44 VV45 - Samples Bars Ø19mm Delivery Condition Segregation Banding Magnification: 50 X OLD Process Parameters NEW Process Parameters

45 < to to to to to to to Chromium Distribution SURFACE OLD SURFACE NEW 8.6 to to to to to to to to 12 Cr content [ % ] 8.2 to 8.6 Co=8,5% surface area core area Cr content [ % ] CORE OLD CORE NEW < to to to to to to 8.2 Frequency Frequency

46 3 rd rd Generation of Valve Steels Wear and Sulphuric Acid Corrosion Resistant Alloy with equivalent t Hot Resistance of Ni Base Alloys destinated to Diesel Engines to cope e with Euro 5 and 6 Exhaust Emission Limits. Alloy Design Concept Development Pilot Scale Alloys Production Evaluation Valve Prototype Production in the Customers Mahle/TRW-Germany and Eaton/TRW-USA Alloy designing Industrial Heat bars production. Development of Valves Production Evaluation Bench Testing (European OEMs Cars and Trucks) OEM Bench Testing ( Dinamometer ) First lot production ( PPAP) Valves Creep Resistance Wear Resistance New Alloy Concept Current Situation Kapazität Konzern F+E Marktbearbeitung Technologieentwicklung Idee Vorprojekt Entwicklungsprojekt Kundenprojekt SOP Zeit Patents pending

47 - Alternative Heat Resistant Valve Alloys Objective New Emissions Regulations New engines designs in Europe and USA Valve Alloys with High Heat Resistance, Fatigue Resistance and High Corrosion and Wear Resistance for Exhaust and Intake Valves e.g.: Nimonic 80A and Inconel 751 New Technologies EGR, SCR, VGT, HPCR, Downsizing of HDDI engines, use of Biodiesel and Ethanol Alternative: New Alloys!! Very Expensive High Nickel Alloys VAT 36 VAT 32 VAT 46

48 C Si Mn Cr Ni Al Ti Ti + Al Nb New Valve Superalloys VAT VAT32 and VAT36 (INC 751) (Ni 30)* (Nim 80A) Refer Refer Refer VAT The additional hardening intermetallic phase type A3B is also formed with Nb (γ ). *Ni30 = NCF 3015 (Hitachi-Honda)

49 MICROSTRUCTURAL CHARACTERIZATION VAT32 Nb / Ti Carbides Solution Annealed at 1050ºC/30 min (WQ); Aged at 732ºC/4h (air)

50 Limite de Escoamento [MPa] Redução em Área [%] Ligas de Ni para Válvula de Baixo Teor de Ni Temperatura [ºC] Limite de Escoamento Limite Industrial Limite Técnico VAT32 VAT751 VAT80A VAT36 20 VAT36 VAT VAT 751 VAT 80A Temperatura [ºC] Trabalhabilidade a quente Tensão [MPa] Dureza (HV - 10 kg) VAT36 VAT80A VAT32 VAT VAT32 (1050ºC) VAT 36 VAT 751 (INC751) VAT80A Temperatura [ºC] Tensão para ruptura em 100 milhões de ciclos por fadiga rotativa Temperatura (ºC) Dureza a quente

51 STRESS (MPa) NIMONIC 80A INCONEL 751 NCF 3015 VAT 32 VAT36 ROTATING BENDING FATIGUE RESISTANCE T = 750 C 1E+6 1E+7 1E+8 1E+9 NUMBER OF CYCLES

52 Comparação das Ligas VAT32 INC751 VAT36 Dureza a quente a 760ºC Hot Hardness Trabalhabilidade a quente Hot Workability ( Temperatura) Tensão para 100 milhões Fatigue Resistance De ciclos a 750ºC Resistência Oxidation à Oxidação Resistance a 800ºC/400h Hot Stress Limite de Escoamento a 800ºC

53 OBRIGADO PELA ATENÇÃO! Thank you for your attention! See:

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