Materiais Motores - Módulo 3
Materiais Motores - Módulo 3
Materiais Motores - Módulo 3
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Engenharia de <strong>Materiais</strong> nos Projetos Automotivos<br />
(<strong>Motores</strong>)<br />
Adriano R. Kantoviscki<br />
Gerente de Engenharia de Produto<br />
Renault do Brasil S.A.<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Gama de motores e caixas – Renault<br />
Uma gama completa de Motopropulsores<br />
<strong>Motores</strong> a gasolina (e etanol)<br />
Cilindrada de 999 à 3 498 cm 3<br />
De 58 a 245 cavalos<br />
Alguns compatíveis com etanol<br />
<strong>Motores</strong> diesel<br />
Cilindrada de 1 461 à 2 993 cm 3<br />
De 55 à 235 cavalos<br />
Compatíveis com a utilização de 30% de biodiesel no combustível<br />
Caixa de velocidades<br />
Manuais 5 e 6 marchas<br />
Manuais automatizadas 5 e 6 marchas<br />
Automáticas 4, 5 e 6 marchas (com dupla embreagem e com variação contínua)<br />
Que respondem as normas mais restritas<br />
Filtros de partículas<br />
NOx<br />
Regulamentação (ex.: Euro V)
Expectativa dos Consumidores<br />
Conservação<br />
Ambiental<br />
Conforto<br />
e<br />
Espaço<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Expectativa dos<br />
Consumidores<br />
Redução do<br />
Consumo de<br />
Combustível<br />
Segurança<br />
e<br />
Qualidade<br />
Baixo Custo<br />
P /<br />
3
Evolução dos Produtos Automotivos<br />
Competição de Mercado<br />
Redução de Peso<br />
Durabilidade<br />
P / 4<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Expectativa dos Consumidores<br />
Mudanças de Especificação<br />
Segurança<br />
Acústica<br />
Regulamentação<br />
…….<br />
Qualidade Percebida
A evolução do Automóvel
Engenharia de <strong>Materiais</strong> no Setor Automotivo<br />
Papel da Engenharia<br />
A Engenharia representa o patrimônio da empresa, o seu « Know How »,<br />
para permitir :<br />
Adequar o Produto aos requisitos dos clientes<br />
Desenvolver o Produto com os fornecedores<br />
Implementar o Processo, para garantir a qualidade e a rentabilidade<br />
Validar o alcance dos requisitos funcionais e regulamentares.<br />
A Engenharia transforma uma « idéia » em :<br />
Um conjunto de documentos (desenhos, 3D)<br />
Protótipos para demonstrar as relevâncias<br />
Meios de produção - permitindo a fabricação do produto em grande série<br />
com o nível de qualidade e custo projetado<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
MATERIAL = Parte de um Sistema INTERATIVO<br />
Produtos<br />
Existentes<br />
<strong>Materiais</strong><br />
Processo<br />
Produtivo<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Projeto<br />
Especificações<br />
Tecnologias<br />
Atuais<br />
Testes<br />
Novos<br />
Produtos<br />
Simulações
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Regulamentação<br />
Ambientais<br />
Exaustão de gases<br />
poluentes<br />
Fim de vida<br />
dos veículos<br />
(ELV - End of Life)<br />
ADRIANO P / 9 KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Redução de poluentes (HC,<br />
CO, NOx, particulados)<br />
Redução de CO 2 para 124 g/Km<br />
(em1995 era de186 g/ Km)<br />
Restrição / Eliminação de alguns<br />
materiais (Pb, Hg, Cd, Cr6 + + )<br />
Recuperação de todos os ELV’s<br />
(85% em 2006, 95% em 2015)
<strong>Materiais</strong> Metálicos Aplicados<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
em <strong>Motores</strong>
Exemplos de solicitações adversas nos motores:<br />
- Temperaturas elevadas:<br />
- Desgaste:<br />
- Esforços elevados:<br />
- Fadiga (Esforço cíclico):<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Destaque para alguns materiais utilizados em alguns<br />
componentes<br />
Metálicos<br />
Cabeçote<br />
Comando de válvulas<br />
Válvulas<br />
Coletor do escap.<br />
Bloco<br />
Pistão<br />
Biela<br />
Bronzinas<br />
Virabrequim<br />
Mancal do pilar<br />
Volante do motor<br />
Carcaça<br />
Caixa diferencial<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Alto Motor<br />
Baixo Motor<br />
Caixa<br />
Um motor<br />
possui mais de<br />
60 componentes
Generalidades: Principais materiais metálicos (e processos)<br />
utilizados em motores e caixas<br />
231 kg,<br />
23%<br />
341 kg, 33 %<br />
P / 13<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
168 kg, 16 %<br />
149 kg, 15 %<br />
104 kg,<br />
10 %<br />
32 kg, 3 %<br />
Quanto ao processo de obtenção da peças:<br />
~ 80 % dos materiais são fundidos<br />
(bloco, cabeçote, etc)<br />
~15 % Forjados (biela, válvulas, etc)<br />
~5% outros (chapas, sinterizados,etc)<br />
Motor<br />
Sistemas de Suspensão<br />
Sistemas de chassi<br />
Chicote elétrico + Bateria<br />
Carroceria<br />
Equipamentos Internos e Externos<br />
<strong>Materiais</strong><br />
1- Ferro Fundido<br />
2- Alumínio<br />
3- Aço<br />
4- Magnésio<br />
5- Cobre<br />
6- Zinco<br />
Outros
Fundidos:
Fundidos: processo de fundição<br />
Generalidades<br />
O que caracteriza fundamentalmente o processo de fundição em<br />
relação ao outros processos de fabricação?<br />
A elaboração de uma liga metálica no estado líquido<br />
Necessita de um molde para preencher com a liga<br />
Produção mundial (em milhões de toneladas)<br />
Principais países China USA Russia Japão Alemanha India França Italia Brasil GB<br />
<strong>Materiais</strong> Ferrosos<br />
<strong>Materiais</strong> não Ferrosos<br />
13 752<br />
1 137<br />
9 355<br />
2 516<br />
5 600<br />
600<br />
4 544<br />
1 297<br />
TOTAL 14 889 11 871 6 200 5 841 4 651 3 155 2 553 2 393 1 766 1 112<br />
3 801<br />
850<br />
2 925<br />
230<br />
2 158<br />
395<br />
1 433<br />
960<br />
1 611<br />
155<br />
15<br />
906<br />
206
Fundidos: Processo de Fundição<br />
O molde é destruído durante<br />
a fabricação da peça<br />
Moldes de Fundição<br />
O molde NÃO é destruído<br />
durante a fabricação da peça<br />
16
Fundidos: processo de fundição<br />
Molde > forma exterior da peça.<br />
Peça<br />
Machos de Fundição<br />
Machos> formas que não são possíveis de desmoldar após a fusão<br />
da peça (pode ser externo ou interno).<br />
Molde<br />
Molde<br />
enchimento<br />
Porta<br />
Macho<br />
macho<br />
enchimento<br />
17
Fundidos: processo de fundição<br />
Sistema de alimentação (canais de alim. e massalotes)<br />
Funções:<br />
Preencher completamente o molde antes da solidificação.<br />
Evitar excesso de turbulência (desgaste do molde, imperfeições na peça).<br />
Assegura um gradiente de temperatura que permita uma alimentação nas<br />
diferentes zonas da peça.<br />
Poder separar facilmente a peça após a solidificação.<br />
18
Fundidos: processo de fundição<br />
Resfriamento/ solidificação<br />
No decorrer do resfriamento, há variações de volume (geralmente retração):<br />
- No estado líquido<br />
- Na passagem do estado líquido para o sólido<br />
- Durante o resfriamento no estado sólido<br />
Cuidados devido o fenômeno de retração:<br />
Acrescentar a dimensões da retração no dimensional das ferramentas.<br />
Evitar zonas massivas isoladas (ressupes)<br />
Prever variações de seções progressivas (microrechupes)<br />
Maiores raios possíveis e ângulos<br />
Orientar o gradiente térmico para alimentar as zones de solidificação final<br />
19
Fundidos: processo de fundição<br />
Por gravidade:<br />
Tipos de corridas<br />
Consiste em alimentar o metal líquido somente<br />
pela ação da gravidade (quando o molde é<br />
metálico chamamos de coquilha)<br />
Baixa pressão:<br />
Mantem a pressão durante a alimentação.<br />
Pressão de 0,1 a 0,5 atm<br />
20
Fundidos: processo de fundição<br />
Tipos de corridas<br />
Sob- pressão:<br />
Equipamentos necessários:<br />
- Máquna de injeção sob- pressão com força de fechamento entre 5 à<br />
4000t, molde (permanente) e forno para manutenção.<br />
Condições:<br />
• Velocidade do metal : 40 m/s,<br />
Pressão do metal : 800bars<br />
• Cadência 15 à 50 p/h> Peças<br />
de grande produção<br />
Solidificação :<br />
O pistão que empurra o metal, « força » o material e também o metal líquido ainda<br />
disponível a completar o deficit volumétrico (menor presença de porosidades).<br />
21
Fundidos: processo de fundição<br />
Resumo do processo<br />
Fabricação do molde<br />
e machos<br />
Fechamento do molde<br />
Corrida<br />
Resfriamento<br />
Extração<br />
Rebarbação e acabamento<br />
CONTROLE<br />
Mateirial<br />
Preparação da carga<br />
FUSÃO<br />
Tratamento do metal<br />
líquido<br />
22
Fundidos:<br />
Ferros fundidos (fofo)
Fonte: UFRG<br />
24
Fonte: UFRG<br />
Ótimo atenuador de<br />
vibrações<br />
lamelar<br />
25
Qualidades<br />
usuais<br />
Fundidos: Ferros Fundidos<br />
Microestrutura: compostos de 2 elementos :<br />
- A grafita:<br />
- Lamelar<br />
- Vermicular<br />
- Nodular<br />
- Uma matriz base<br />
- Ferrita<br />
- Perlita<br />
26
Fonte: UFRG<br />
28
Fundidos: Ferros Fundidos<br />
Morfologia da Grafita<br />
Lamelar- GL Esferoidal- GS<br />
Vermicular- GV<br />
Micrographie<br />
29
Fundidos: Ferros Fundidos<br />
300<br />
200<br />
100<br />
Grafita<br />
Rm<br />
(MPa)<br />
Características mecânicas<br />
Rp0,2<br />
(MPa)<br />
A% J Dureza<br />
(HB)<br />
Lamelar 170-300 170-300
Fundidos: Ferros Fundidos<br />
Exemplos de peças do motor em ferro fundido e suas variações:<br />
Volante do motor<br />
Mancal do Pilar<br />
Bloco do motor<br />
Coletor de escamento<br />
Comando de válvulas<br />
Biela<br />
Virabrequim<br />
Caixa diferencial<br />
GL GS GV<br />
Ferritico Ferrita/perlita Perlitico<br />
31
Fundidos: Ferros Fundidos<br />
Mancal do Pilar K e D<br />
Peça usinada<br />
Volante K e D<br />
peça usinada<br />
Peças Renault em Ferro fundido (fornecedor Tupy)<br />
Bloco do motor K<br />
Peça bruta<br />
Virabrequim K e D<br />
Peça Bruta<br />
Outubro/2010<br />
Caixa diferencial<br />
Peça bruta
Máquina de<br />
moldagem<br />
Sequência do Processo de Fundição do bloco do motor<br />
moldes Limpeza<br />
Forno cubilot corrida desmoldagem<br />
rebarbação estanqueidade Magnaflux Peintura<br />
Inspecão<br />
Embalagem
Sequência do processo de fundição do Virabrequim<br />
Forno de indução Molde Shell<br />
corrida<br />
jateamento<br />
rebarbação<br />
sanidade interna<br />
Transporte<br />
Inspeção Embalagem
Fundidos:<br />
Alumínio
Fundidos: Ligas de alumínio<br />
Uma só família utilizada nos automóveis: Al Si (Cu, Mg) com<br />
Silício entre 5 e 12% (alguns casos até 14%)<br />
Temperatura<br />
658<br />
577<br />
T°C<br />
1.65<br />
Liga Al-Si < 1.65%<br />
Liquido Dendrita Dendrita Solidificado<br />
12.7 %<br />
1 2 3<br />
% Si<br />
1 2 3<br />
Liquido Dendrita Dendrita Dendrita +<br />
Eutético<br />
Liquido Cristal Si Crescim. Cristal +<br />
Eutético<br />
36
Fundidos: Ligas de alumínio<br />
Designação<br />
A designação apresenta os principais elementos químicos da liga<br />
Exemplo : AlSi7Cu3Mg0,35(Fe)<br />
Os elementos entre parênteses correspondem a impurezas<br />
Molde de obtenção<br />
S moldagem em areia<br />
K moldagem em coquila<br />
D moldagem sob- pressão<br />
Tratamento térmico<br />
F bruto de fundição<br />
T5 estabilizado<br />
T6 solubilizado, temperado e revenido<br />
T7 solubilizado, temperado e sobrerevenido<br />
T64 solubilizado, temperado e subrevenido<br />
37
Fundidos: Ligas de alumínio<br />
Características mecânicas<br />
Principais fatores influentes:<br />
Composição química:<br />
Sanidade do material<br />
Silício: Melhora as propriedades de fundição.<br />
Diminui a plasticidade da liga.<br />
Cobre: Melhora as características mecânicas e dureza.<br />
Melhora as características mecânicas a quente.<br />
Magnésio: Altera levemente as propriedades de fundição.<br />
Permite o endurecimento pela formação de precipitados.<br />
Ferro: Diminui o alongamento devido a forma de agulha.<br />
Aumenta o limite elástico.<br />
Manganês: Neutraliza a influencia desfavorável do Fe (recomendável<br />
Fe/Mn = 1.5)<br />
Compactação<br />
Inclusões óxidos<br />
Rechupe Porosidade- gás<br />
38
Fundidos: Ligas de alumínio<br />
Características mecânicas<br />
Principais fatores influentes:<br />
Microestrutura - modificação com Estrôncio ou Sódio<br />
(composição química):<br />
AlSi10Mg- Estrutura acicular não modificada<br />
Tratamentos térmicos<br />
Endurecimento Estrutural<br />
AlSi10Mg- Estrutura fibrosa modificada<br />
Bruto T6~ 12h á 220 C<br />
39
Fundidos: Ligas de alumínio<br />
Processo<br />
Rm: 150 à 300 MPa<br />
Rp0,2: 90 à 270 MPa<br />
Propriedades Mecânicas<br />
Alongamento % : 0,5 à 12%)<br />
Comparação dos processos de fundição<br />
Porosidades Al Si7Mg0,3<br />
tamanho<br />
(µm)<br />
Rp 0,2<br />
(MPa)<br />
Rm<br />
(MPa)<br />
Coquilha =< 50 220 280<br />
Areia 100-300 220 270<br />
Cera perdida 500-700 190 230<br />
40
Fundidos: Ligas de alumínio<br />
Exemplos de peças em ligas de Alumínio<br />
Cabeçote<br />
Carcaça da caixa de câmbio<br />
Pistão<br />
Coletor de admissão<br />
Sobpressão<br />
41<br />
Coquilha
Forjados:
Forjados: processo<br />
Processo de fabricação de válvulas Processo de fabricação de Bielas<br />
43
Exemplos de soluções de materiais para uma mesma aplicação:<br />
MATERIAL<br />
FERRO FUNDIDOS<br />
GL GV GS<br />
Fer Perl<br />
LIGAS DE<br />
ALUMÍNIO<br />
AÇO<br />
FUNDIDO<br />
FORJADOS<br />
44<br />
OUTROS<br />
PROCESSOS<br />
Mancal do pilar Sinterizado<br />
Bloco do motor<br />
Carcaça da caixa Magnésio<br />
Coletores Chapas soldadas<br />
Cabeçote<br />
Virabrequim<br />
Biela
Alguns componentes do motor:<br />
- Principais funções<br />
- Principais solicitações<br />
- Material (ais) utilizado(s)<br />
- Cuidados / casos (falhas) / observações<br />
Fundidos<br />
Forjados
Principais Funções:<br />
Cabeçote Permitir transmitir o esforço da câmara de combustão<br />
para o pistão.<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Permitir a entrada de combustível e saída de gases<br />
Suportar as válvulas e comandos de válvulas<br />
Refrigerar a câmara de combustão, etc.<br />
Principais Solicitações:<br />
Geometria complexa<br />
Altas tensões (mecânicas + térmicas)<br />
Fadiga (térmica)<br />
Alta temperatura<br />
Ataque químico (corrosão)<br />
Material (ais) utilizado(s):<br />
material Custo Peso Resistência<br />
mecânica<br />
Alumínio AlSi7-9 (Cu, Mg)- Fundição por gravidade ou<br />
sob-pressão com ou sem tratamento térmico.<br />
Ferro fundido (GL)- motor diesel<br />
Resistência<br />
química<br />
Fadiga Desgaste Condutividade<br />
térmica a<br />
AlSi7-9(Mg,Cu) + + + + + + +++ + + + + +<br />
Ferro fundido + + + + + - ++ ++ + ++
Cabeçote Cuidados/ casos / observações<br />
Fluência> Alumínio, queda acentuada<br />
das propriedades com a temperatura<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Trincas<br />
Causas possíveis: Fadiga / defeito de<br />
material / dimensional<br />
Compactação<br />
Inclusões<br />
Endurecimento estrutural<br />
óxidos<br />
Rechupe Porosidade- gás<br />
Bruto T6~ 12h á 220 C<br />
Sanidade do material e microestrutura
Principais Funções:<br />
Válvulas Permitir a abertura e obstrução do combustível e gases<br />
de escape.<br />
material Custo Peso Resistência<br />
mecânica<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Assegurar uma boa estanqueidade da câmara de<br />
combustão<br />
Suportar importantes tensões mecânicas, etc.<br />
Principais Solicitações:<br />
Altas tensões (mecânica+ térmicas)<br />
Desgaste<br />
Fadiga (térmica+ alta ciclagem)<br />
Altas temperaturas<br />
Ataque químico (corrosão)<br />
Peso (menor possível- inércia)<br />
Material (ais) utilizado(s):<br />
Válvula de admissão: monomaterial em aço inox martensítico Cr Si<br />
(Mo, V) (9-3)<br />
Válvula de escapamento (tulipa): monomaterial ou bimaterial em<br />
aço inox austenítico Cr Ni Mn (Mo, Co, V, Nb)(21-9)<br />
Revestimento: sem revestimento, temperado, nitretado ou<br />
material de adição<br />
Resistência<br />
química<br />
Fadiga Desgaste Fluência Temperabilidade<br />
Aço inox martensitico - + + + + + ++ +++ + ++ +++ + + +<br />
Aço inox austenítico - + + +++ ++ + ++ -
Válvulas Cuidados/ casos/ observações<br />
Fluência> Aço inox, escolha do material<br />
de acordo com a tempetura do motor<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Válvula de escape:<br />
Susceptível ao desgaste, devido<br />
pouca lubrificação e corrosão (etanol),<br />
aço inox austenítico >não é possível<br />
Têmpera<br />
-Soluções: blindagem com material de<br />
adição inox alta liga Cr Ni (C, Si,W,Co)<br />
- Nitretação (em banho de sal)
Válvulas Cuidados/ casos/ observações<br />
Excesso de temperatura<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Fadiga:<br />
Causa possíveis: dobra de conformação, escolha do<br />
material, dimensionamento, etc<br />
Desgaste - sem revestimento (nitretação)
Principais Funções:<br />
Pistão Transmitir o esforço da câmara de combustão para a<br />
biela/ virabrequim.<br />
Aspirar o combustível e evacuar o gás após combustão<br />
Evitar a passagem de óleo do cárter para a câmara de<br />
combustão<br />
Baixa Vibração (inércia)<br />
Principais Solicitações:<br />
Altas tensões (mecânicas+ térmicas)<br />
Fadiga (Mecânica e térmica)<br />
Alta temperatura<br />
Desgaste<br />
Ataque químico (corrosão)<br />
Baixo peso (inércia)<br />
Material (ais) utilizado(s):<br />
material<br />
AlSi12-13 (Cu,<br />
Ni, Mg)<br />
Custo Peso Resistência<br />
mecânica<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Alumínio AlSi12-13 (Cu, Ni, Mg)- Fundição por gravidade<br />
com ou sem tratamento térmico.<br />
Revestimento: Topo: anodizado. Saia: estanhado (1 a<br />
2 microns) ou grafitizado (10-20 microns)<br />
Resistência<br />
química<br />
Fadiga Desgaste Condutividade<br />
térmica a<br />
+ + + + + + +++ ++ + + + +
Pistão Cuidados/ casos/ observações<br />
Fluência> Alumínio, queda acentuada das<br />
propriedades com a temperatura<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Susceptível ao desgaste:<br />
- Soluções: Anodização no vão do 1º anel<br />
- Revestimento da saia: estanhado ou<br />
grafitizado
Pistão Cuidados/ casos/ observações<br />
~75000 N<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Fadiga:<br />
Condições severas de temperatura, altas<br />
solicitações mecânicas, número de ciclos elevado.<br />
Geometria<br />
Defeitos de fundição<br />
Defeito de<br />
fundição
Principais Funções:<br />
Biela Transmitir o movimento de translação do pistão em um<br />
movimento de rotação do virabrequim.<br />
material Custo Peso Resistência<br />
mecânica<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Contribui no bom funcionamento das bronzinas<br />
Baixa Vibração (inércia)<br />
Principais Solicitações:<br />
Altas tensões (mecânicas+ térmicas)<br />
Fadiga (mecânica)<br />
Ataque químico (corrosão)<br />
Baixo peso (inércia)<br />
Material (ais) utilizado(s):<br />
Ferro fundido nodular (GS)<br />
Aço recozido (médio C) ou temperado e revenido.<br />
Superfície: jateamento – shot peening (fadiga)<br />
Sinterizado<br />
Resistência<br />
química<br />
Fadiga Desgaste Fluência Temperabilidade<br />
Ferro fundido nodular ++ + + + ++ ++ + + ++ -<br />
Aço + + + ++ ++ +++ + + ++ +++
Biela Cuidados/ casos/ observações<br />
Fadiga> Alta solicitação mecânica- cíclica<br />
Possíveis causas: concentração de tensão<br />
Defeitos de fundição e forjamento (dobras), etc<br />
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011<br />
Flambagem:<br />
- Causa provável: instabilidade<br />
da combustão.<br />
- Calço hidráulico.<br />
Importante contra fadiga ><br />
jateamento – shot peening
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
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