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 CY 2010 NET SALES US$ 407 Million PRODUCTS 88,300 t EXPORT EMPLOYEES US$ 128 Million 1,435 HISTORY - COMPANIES Aços Villares 1944 Engineering Steels Rolling Mill Rolls High Alloy Steels Eletrometal 1961 Sidenor 2000 Villares Metals 1996 Gerdau BUAG Villares Metals 2004 Voest Alpine/BUAG Villares Metals 2007 / SD 0U ,00 25 LIGAS DE Ni 0,08 Mt AÇO VÁLVULA 0,18 Mt AÇO FERRAMENTA 1,0 Mt BARRAS AÇO INOX O EÇ PR CO MM OD ITI ES 0,1 Mt t AÇO RÁPIDO MATERIAIS COM ALTO VALOR TECNOLÓGICO AGREGADO E DEMANDAM UM CONHECIMENTO PROFUNDO DA SUA METALURGIA 4 Mt AÇO INOX 27 Mt 80 Mt PRODUÇÃO MUNDIAL DE AÇO t 1.400 Mt / SD 0U 60 AÇO CONSTRUÇÃO MECÂNICA Villares Metals is acting in 6 Product Lines: • Tool Steel • High Speed Steel • Valve Steel • Stainless Steel • Specialty Alloy • Forged Parts VALVE STEEL INTERNAL COMBUSTION ENGINE VALVES Inner Three Global Supplier •ISO 9001: 2008 - General Application. •TS 16949 - 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 15100:2004 - Aerospace Application. •EMBRAER GQP/SQF - Aerospace Application. •ISO 14001- Environmental Application. •NADCAP - National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program. • NORSOK - M 650- O&G application. ACTIVITIES Process and Product Development. Customer and Plant Technical Support. RESOURCES Building Area: 1,600 m2. R&D expenses: 0,75% of Sales Technical Marketing and Promotion of Company Image. 7 Laboratories, including: * Pilot Scale Melting Shop. New Testing Methods * Scanning Electron Microscopy. Development. 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. VILLARES METALS INVESTMENT (US$ Millions) 250 245 200 150 100 70 57 45 34 50 19 15 4 2004 2005 2006 2007 2008 (J-M) 2009 (A/08M/09) 2010 (A/09M/10) Total Forged Parts 12% Blanks 1% Bars Engineering Steel 17% Specialty Alloys 2% Valve Steel 15% PRODUCT LINES (% OF VOLUME) HSS 4% Tool Steel 26% Stainless Steel 23% . . PRODUCTION PROCESSES Melting EAF1 EAF2 Ladle Metallurgy ladle furnace 1 Casting VD ladle furnace 2 Continuous casting VOD Ingot Casting Vacuum Melting (VIM) and Remelting (VAR + ESR) VIM 1 VIM 2 Hot Forming P5000 3 ESR P2000 Multi-line Rolling mill Heat Treatment, Machining and Testing 1 VAR Blooming VALVE STEELS DEVELOPMENT • 1998 = VALVE STEEL PRODUCT LINE IS DEFINED AS “CORE BUSINESS” - VALVE STEELS IS STRATEGIC FOR THE COMPANY MISSION. • 1999 = QUALITY SYSTEM IS UP GRADED TO QS 9000 • 1999-2003 = IN 4 YEARS VILLARES METALS PRODUCTION RAISED FROM 4.000 tpy TO 10.000 tpy OF VALVE STEELS • 2003 = VMSA EXPORTED ABOUT 5.000 t OF VALVE STEELS TO EUROPE & AMERICA • 2004 = VMSA WAS CERTIFIED ACCORDING TO TS 16949 • 2004-2005 = 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. • 2008 = 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 PRODUCTION CAPACITY OF VALVE STEEL FOR EUROPEAN PRODUCERS – 2007-2008 14000 12000 t/y 10000 8000 6000 4000 2000 0 Villares 2-C 3-B 4- G A-A 6-K 7-V DELIVERIES OF VALVE STEELS BY REGIONS 2008-2009 (%tpy) (%) 32 28 24 16 BRAZIL EUROPE SOUTH AMERICA US VALVE STEELS & NICKEL ALLOYS FOR VALVES VILLARES GRADES VILLARES SAE COMMERCIAL W Nr. VV 45 HNV-3 SIL-1/SUH1 1.4718 VV 48 HNV-3Low Si - - V 422 HNV-8 422 - VV 33 EV 16 21-8N 1.4866 VV 50 21-43 X EV-F 1.4882 VV 53 EV-8 21-4N 1.4871 VV 56 EV-12 21-2N 1.4875 N4718C/N4731 - JIS SUH3 1.4731 VV85 - Cr 193 1.4748 VAT 80 A HEV 5 NIMO 80 A 2.4952 VAT 31 V HEV 8 PIROMET 31V - VAT 751 HEV 3 INCONEL 751 - Villares is one of the few producers with a complete line of alloys for valves 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 1.4871/1.4875)+ WNr 1.4718 MARTENSITIC GRADE) ALL PRODUCTS ARE HEAT TREATED AND 100% EDDY-CURRENT +US TESTED Aços Especiais e Ligas de Ni para Válvulas de Motores para Combustão Interna 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) Segmentos que a Villares Metals Participa e é Líder Mundial • Ligas Austeníticas de Alto Níquel (Ni-Cr) • Ligas de Titânio • Ligas para Assentos (Facing Alloys / Co; Cr; Ni; W; Mo; Fe; ↑ C) 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 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 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 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 • Maior temperatura de trabalho Válvula de Exaustão • Produtos da combustão • Maior resistência à corrosão • Produtos corrosivos (SO42-, NOx, ...) •Aços Válvula Austeníticos Mn Nitrogenados •VV 50/53/56 •Ligas de Ni • VAT 751 (Inc.751), VAT 80A (Nim.80A) Válvula de Admissão 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 Processo de fabricação de Válvulas Barras Metálicas Extrusão Corte das barras em Billets Upsetting Recobrimento da face Stellite/Nitretação Usinagem e acabamento SIMULAÇÃO DO FORJAMENTO DA VÁLVULA REAL VALVE Simulação Numérica do Processo de Extrusão da Válvula Etapa inicial de extrusão ( formação da “banana”) Etapa Final ( cunhagem) Gadientes de tensão efetiva [MPa]. 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 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 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 Ameaças e Oportunidades Motores Diesel Novas Gerações de Combustíveis e Redução de Emissões Novos Desafios: • 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 ! 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 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. Mudanças Esperadas nos Parâmetros de Operação em Válvulas de Motores Diesel 2010 • Pressão de Combustão de Pico – Atual - 15-20 MPa • Temperatura Operação da Válvula – Exaustão 650 - 820º C – Admissão 425 -540º C • • A partir de 2013 Pressão de Combustão de Pico – Futuro – 20-23 MPa (Autoestrada) – Futuro - 23 MPa (Transito) Temperatura Operação da Válvula – Exaustão 650 - 870º C – Admissão 425 – 625º C 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 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), 214(VV53) em todas as aplicações com temperaturas entre 760ºC e 815ºC. 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 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 for reoxidation during the refining process in thorough understanding is necessary in order to process and to identify all the weak points in its inclusions. its high sensitiveness the melting shop. A review completely the production regardless 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. ● to examine the possibilities of modifying the current steelmaking practice to achieve better steel cleanliness. Continuous casting Evaluation and Control of Steel Cleanliness on as-cast martensitic valve steel Inclusions/mm² VV45/N4718 for inclusions > 10 um (100 mm²) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 After first alloy addition in LF and heating/homogenization Before VD After VD Process steps 10-20 um 20-40 um >40 um Average inclusion size distribution. After VD + soft argon bubbling Valve Steel Continuous Casting Process Valve Steels Produced by Continuous Casting Route (145 mm square billet) 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. VV45 - Samples –Bars Ø19mm – Delivery Condition Segregation Banding – Magnification: 50 X OLD Process Parameters NEW Process Parameters Cr content [ % ] to 12 11 .4 11 .0 20 15 7. 4 25 Frequency 35 <7 .4 to 7. 7. 8 8 to 8. 8. 2 2 to 8. 8. 6 6 to 9. 9. 0 0 to 9. 9. 4 4 to 9. 9. 8 8 to 1 10 0. .2 2 to 1 10 0. .6 6 to 1 11 1. .0 0 to 11 11 .4 .4 to 12 11 .4 to to 10 .6 10 .2 9. 8 9. 4 9. 0 8. 6 8. 2 7. 8 30 11 .0 to to to to to to to to <7 .4 Co=8,5% 10 .6 10 .2 9. 8 9. 4 9. 0 8. 6 8. 2 7. 8 7. 4 Frequency Chromium Distribution surface area core area SURFACE OLD 35 30 CORE OLD SURFACE NEW 25 CORE NEW 20 15 10 10 5 5 0 0 Cr content [ % ] 3rd Generation of Valve Steels Wear and Sulphuric Acid Corrosion Resistant Alloy with equivalent Hot Resistance of Ni Base Alloys destinated to Diesel Engines to cope 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) • • Kapazität New Alloy Concept Konzern F+E Idee Current Situation Technologieentwicklung Marktbearbeitung Vorprojekt Zeit Entwicklungsprojekt Kundenprojekt Patents pending SOP Valves Creep Resistance Wear Resistance - 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 New Technologies EGR, SCR, VGT, HPCR, Downsizing of HDDI engines, use of Biodiesel and Ethanol e.g.: Nimonic 80A and Inconel 751 Alternative: New Alloys!! VAT 36 Very Expensive High Nickel Alloys VAT 32 VAT 46 New Valve Superalloys VAT32® and VAT36® (INC 751) (Ni 30)* (Nim 80A) VAT32 Refer. Refer. Refer. VAT36 C 0.23 0.05 0.05 0.05 0.05 Si 0.15 0.20 0.20 0.10 0.15 Mn 0.15 0.15 0.20 0.25 0.15 Cr 15.5 15.5 15.5 19.0 18.6 Ni 32.0 73.0 32.0 76.0 35.8 Al 1.9 1.20 1.90 1.45 1.90 Ti 2.0 2.50 2.65 2.40 1.10 Ti + Al 3.9 3.70 4.15 3.85 3.0 Nb 3.9 0.80 0.70 - 2.0 The additional hardening intermetallic phase type A3B is also formed with Nb (γ’’). *Ni30 = NCF 3015 (Hitachi-Honda) MICROSTRUCTURAL CHARACTERIZATION VAT32 Nb / Ti Carbides Solution Annealed at 1050ºC/30 min (WQ); Aged at 732ºC/4h (air) Ligas de Ni para Válvula de Baixo Teor de Ni 400 VAT32 900 350 VAT751 800 VAT80A 700 Tensão [MPa] Limite de Escoamento [MPa] 1000 VAT36 600 500 400 300 250 200 300 150 200 VAT36 VAT32 VAT80A VAT751 100 600 650 700 750 800 850 900 100 740 Temperatura [ºC] 760 780 800 820 840 860 880 Temperatura [ºC] Limite de Escoamento Tensão para ruptura em 100 milhões de ciclos por fadiga rotativa 400 100 80 350 70 Dureza (HV - 10 kg) Redução em Área [%] 90 60 50 40 30 20 Limite Industrial Limite Técnico 10 0 850 VAT36 VAT 32 VAT 751 VAT 80A 900 950 1000 1050 300 250 VAT32 (1050ºC) VAT 36 200 VAT 751 (INC751) VAT80A 1100 1150 1200 Temperatura [ºC] Trabalhabilidade a quente 1250 150 200 300 400 500 600 700 Temperatura (ºC) Dureza a quente 800 900 ROTATING BENDING FATIGUE RESISTANCE 500 STRESS (MPa) T = 750°C 450 400 350 300 NIMONIC 80A INCONEL 751 NCF 3015 VAT 32 VAT36 250 1E+6 1E+7 1E+8 NUMBER OF CYCLES 1E+9 Comparação das Ligas VAT32 INC751 VAT36 Dureza Hot a quente Hardness a 760ºC Trabalhabilidade a quente Hot Workability (∆ ∆Temperatura) Oxidation Resistance Resistência à Oxidação a 800ºC/400h Tensão para 100 milhões Fatigue Resistance De ciclos a 750ºC Hot Stress Limite de Escoamento a 800ºC OBRIGADO PELA ATENÇÃO! Thank you for your attention ! [email protected] See: www.villaresmetals.com.br