fundiçao bloco motor

Prévia do material em texto

ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Engenharia de Materiais nos Projetos Automotivos 
(Motores)
Adriano R. Kantoviscki
Gerente de Engenharia de Produto
Renault do Brasil S.A.
Motores a gasolina (e etanol)
� Cilindrada de 999 à 3 498 cm3
� De 58 a 245 cavalos
� Alguns compatíveis com etanol
Motores diesel
� Cilindrada de 1 461 à 2 993 cm3
� De 55 à 235 cavalos
� Compatíveis com a utilização de 30% de biodiesel no combustível
Caixa de velocidades
� Manuais 5 e 6 marchas
� Manuais automatizadas 5 e 6 marchas
� Automáticas 4, 5 e 6 marchas (com dupla embreagem e com variação contínua)
Que respondem as normas mais restritas
� Filtros de partículas 
� NOx
� Regulamentação (ex.: Euro V)
Gama de motores e caixas – Renault 
Uma gama completa de Motopropulsores
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
P / 
3
Expectativa dos
Consumidores
Baixo Custo
Conservação 
Ambiental 
Expectativa dos Consumidores
Segurança 
e
Qualidade
Redução do
Consumo de 
Combustível 
Conforto 
e
Espaço 
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
P / 4
Evolução dos Produtos Automotivos 
Mudanças de Especificação 
Competição de Mercado 
Expectativa dos Consumidores
Regulamentação 
Redução de Peso 
Durabilidade 
Segurança 
Acústica
Qualidade Percebida 
…….
A evolução do Automóvel
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Engenharia de Materiais no Setor Automotivo
Papel da Engenharia
� A Engenharia representa o patrimônio da empresa, o seu « Know How », 
para permitir :
� Adequar o Produto aos requisitos dos clientes
� Desenvolver o Produto com os fornecedores 
� Implementar o Processo, para garantir a qualidade e a rentabilidade
� Validar o alcance dos requisitos funcionais e regulamentares.
� A Engenharia transforma uma « idéia » em : 
� Um conjunto de documentos (desenhos, 3D)
� Protótipos para demonstrar as relevâncias
� Meios de produção - permitindo a fabricação do produto em grande série 
com o nível de qualidade e custo projetado
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
MATERIAL = Parte de um Sistema INTERATIVO
Novos 
Produtos
Produtos
Existentes
Projeto 
Especificações
Processo
Produtivo
Tecnologias 
Atuais
Testes
SimulaçõesMateriais
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011P / 9
Regulamentação
�
Ambientais 
Exaustão de gases
poluentes
Redução de CO 2 para 124 g/Km
(em1995 era de186 g/ Km)
Fim de vida 
dos veículos 
(ELV - End of Life)
Restrição / Eliminação de alguns
materiais (Pb, Hg, Cd, Cr6+) +
Recuperação de todos os ELV’s
(85% em 2006, 95% em 2015)
Redução de poluentes (HC, 
CO, NOx, particulados)
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Materiais Metálicos Aplicados 
em Motores
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Exemplos de solicitações adversas nos motores:
- Temperaturas elevadas:
- Desgaste:
- Esforços elevados:
- Fadiga (Esforço cíclico):
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Metálicos
� Cabeçote
� Comando de válvulas
� Válvulas
� Coletor do escap.
� Bloco
� Pistão
� Biela
� Bronzinas
� Virabrequim
� Mancal do pilar
� Volante do motor
� Carcaça
� Caixa diferencial
Alto Motor
Baixo Motor
Destaque para alguns materiais utilizados em alguns 
componentes
Caixa
Um motor 
possui mais de 
60 componentes
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
P / 13
Generalidades: Principais materiais metálicos (e processos) 
utilizados em motores e caixas
32 kg, 3 %
Motor
Sistemas de Suspensão
Sistemas de chassi
Chicote elétrico + Bateria 
Carroceria 
Equipamentos Internos e Externos 
168 kg, 16 % 
149 kg, 15 % 
104 kg,
10 % 
341 kg, 33 % 
231 kg, 
23% 
� Quanto ao processo de obtenção da peças:
� ~ 80 % dos materiais são fundidos 
(bloco, cabeçote, etc)
� ~15 % Forjados (biela, válvulas, etc)
� ~5% outros (chapas, sinterizados,etc) 
� Materiais
� 1- Ferro Fundido
� 2- Alumínio
� 3- Aço
� 4- Magnésio
� 5- Cobre
� 6- Zinco
� Outros
�Fundidos:
15
O que caracteriza fundamentalmente o processo de fu ndição em 
relação ao outros processos de fabricação?
� A elaboração de uma liga metálica no estado líquido
� Necessita de um molde para preencher com a liga
Fundidos: processo de fundição
Generalidades
 
Principais países China USA Russia Japão Alemanha India França Italia Brasil GB 
 
Materiais Ferrosos 
Materiais não Ferrosos 
 
 
13 752 
1 137 
 
 
9 355 
2 516 
 
 
5 600 
600 
 
4 544 
1 297 
 
3 801 
850 
 
2 925 
230 
 
2 158 
395 
 
1 433 
960 
 
1 611 
155 
 
906 
206 
TOTAL 14 889 11 871 6 200 5 841 4 651 3 155 2 553 2 393 1 766 1 112 
 
� Produção mundial (em milhões de toneladas)
16
O molde é destruído durante 
a fabricação da peça
O molde NÃO é destruído 
durante a fabricação da peça
Fundidos: Processo de Fundição
Moldes de Fundição
17
Machos de Fundição
Peça
macho
Macho
Porta 
Molde
Molde
enchimento
enchimento
� Molde > forma exterior da peça.
� Machos> formas que não são possíveis de desmoldar ap ós a fusão 
da peça (pode ser externo ou interno).
Fundidos: processo de fundição
18
Funções:
� Preencher completamente o molde antes da solidifica ção.
� Evitar excesso de turbulência (desgaste do molde, i mperfeições na peça).
� Assegura um gradiente de temperatura que permita um a alimentação nas 
diferentes zonas da peça.
� Poder separar facilmente a peça após a solidificaçã o.
Fundidos: processo de fundição
Sistema de alimentação (canais de alim. e massalotes)
19
Resfriamento/ solidificação
� No decorrer do resfriamento, há variações de volume (geralmente retração):
- No estado líquido
- Na passagem do estado líquido para o sólido
- Durante o resfriamento no estado sólido
Cuidados devido o fenômeno de retração:
� Acrescentar a dimensões da retração no dimensional das ferramentas.
� Evitar zonas massivas isoladas (ressupes)
� Prever variações de seções progressivas (microrechupes)
� Maiores raios possíveis e ângulos
� Orientar o gradiente térmico para alimentar as zones de solidificação final
Fundidos: processo de fundição
20
Por gravidade: 
Consiste em alimentar o metal líquido somente 
pela ação da gravidade (quando o molde é
metálico chamamos de coquilha)
Baixa pressão:
Mantem a pressão durante a alimentação.
Pressão de 0,1 a 0,5 atm
Fundidos: processo de fundição
Tipos de corridas
21
Condições: 
• Velocidade do metal : 40 m/s, 
Pressão do metal : 800bars
• Cadência 15 à 50 p/h> Peças
de grande produção
Equipamentos necessários:
- Máquna de injeção sob- pressão com força de fechamento entre 5 à
4000t, molde (permanente) e forno para manutenção.
Solidificação :
O pistão que empurra o metal, « força » o material e também o metal líquido ainda
disponível a completar o deficit volumétrico(menor presença de porosidades).
Sob- pressão:
Fundidos: processo de fundição
Tipos de corridas
22
Resumo do processo
 Mateirial 
Preparação da carga 
 
FUSÃO 
Tratamento do metal 
líquido 
 
Corrida 
 
Resfriamento 
 
Extração 
Rebarbação e acabamento 
 
CONTROLE 
Fabricação do molde 
e machos 
Fechamento do molde 
Fundidos: processo de fundição
�Fundidos:
�Ferros fundidos (fofo)
24
Fonte: UFRG
25
Fonte: UFRG
lamelar
Ótimo atenuador de 
vibrações
26
� Microestrutura: compostos de 2 elementos :
- A grafita:
- Lamelar
- Vermicular
- Nodular
- Uma matriz base
- Ferrita
- Perlita
Qualidades 
usuais
Fundidos: Ferros Fundidos
27
28
Fonte: UFRG
29
Lamelar- GL Esferoidal- GSVermicular- GV
 Micrographie
Fundidos: Ferros Fundidos
Morfologia da Grafita
30
Características mecânicas
Grafita
Rm
(MPa)
Rp0,2
(MPa)
A% J Dureza
(HB)
Lamelar 170-300 170-300 <0,5 4-14 140-300
Nodular 400-800 280-600 2-18 14-34 140-350
Vermicular 350-550 250-400 1-6 7-20 150-250
Rm (MPa)
Ferrítico
200 300 500
100
300
200
GL
600 700 800400
Dureza HB
GL
GS
GS
Rm (MPa)
Ferrítico
Perlítico
5 10 1
5
20
A %100
300
400
200
5
0
0
600
700
GL
GS
Fundidos: Ferros Fundidos
Perlítico
31
Exemplos de peças do motor em ferro fundido e suas variaç ões: 
GL GS GV
Ferritico Ferrita/perlita Perlitico
Volante do motor
Mancal doPilar
Bloco do motor
Coletor de escamento
Comando de válvulas
Biela
Virabrequim
Caixa diferencial
Fundidos: Ferros Fundidos
Bloco do motor K
Peça bruta
Virabrequim K e D 
Peça Bruta
Mancal do Pilar K e D 
Peça usinada
Volante K e D 
peça usinada
Peças Renault em Ferro fundido (fornecedor Tupy) Outubro/2010
Caixa diferencial
Peça bruta
Fundidos: Ferros Fundidos
Sequência do Processo de Fundição do bloco do motor 
Máquina de 
moldagem
moldes Limpeza
Forno cubilot corrida desmoldagem
rebarbação estanqueidade Magnaflux P
ei
nt
ur
a
In
sp
ec
ão
E
m
ba
la
ge
m
Sequência do processo de fundição do Virabrequim
Forno de indução Molde Shell 
corrida rebarbação
Inspeção Embalagemsanidade interna
jateamento
Transporte
�Fundidos:
�Alumínio
36
� Uma só família utilizada nos automóveis: Al Si (Cu, Mg) com 
Silício entre 5 e 12% (alguns casos até 14%)
Temperatura
658
577
12.7 %
% Si
T°C
1.65
1 32
Liga Al-Si < 1.65%
Liquido Dendrita Dendrita Solidificado
1 2 3
Liquido Dendrita Dendrita Dendrita +
Eutético
Liquido Cristal Si Crescim. Cristal +
Eutético
Fundidos: Ligas de alumínio
37
Designação
A designação apresenta os principais elementos químicos da liga
Exemplo : AlSi7Cu3Mg0,35(Fe)
Os elementos entre parênteses correspondem a impure zas
Molde de obtenção
� S moldagem em areia
� K moldagem em coquila
� D moldagem sob- pressão
Tratamento térmico
� F bruto de fundição
� T5 estabilizado
� T6 solubilizado, temperado e revenido
� T7 solubilizado, temperado e sobre-
revenido
� T64 solubilizado, temperado e sub-
revenido
Fundidos: Ligas de alumínio
38
Características mecânicas
Principais fatores influentes:
� Composição química:
� Sanidade do material
� Silício: Melhora as propriedades de fundição. 
Diminui a plasticidade da liga.
� Cobre: Melhora as características mecânicas e dureza. 
Melhora as características mecânicas a quente . 
� Magnésio: Altera levemente as propriedades de fundição. 
Permite o endurecimento pela formação de precipitados.
� Ferro: Diminui o alongamento devido a forma de agulha.
Aumenta o limite elástico.
� Manganês: Neutraliza a influencia desfavorável do Fe (recomendável 
Fe/Mn = 1.5)
Compactação
Rechupe Porosidade- gás
Inclusões óxidos
Fundidos: Ligas de alumínio
39
Características mecânicas
Principais fatores influentes:
� Microestrutura - modificação com Estrôncio ou Sódio 
(composição química):
� Tratamentos térmicos
Endurecimento Estrutural
Bruto T6~ 12h á 220 C 
AlSi10Mg- Estrutura acicular não modificada AlSi10Mg- Estrutura fibrosa modificada
Fundidos: Ligas de alumínio
40
Comparação dos processos de fundição
Porosidades Al Si7Mg0,3
Processo
tamanho
(µm)
Rp 0,2
(MPa)
Rm
(MPa)
Coquilha =< 50 220 280
Areia 100-300 220 270
Cera perdida 500-700 190 230
Propriedades Mecânicas
� Rm: 150 à 300 MPa
� Rp0,2: 90 à 270 MPa
� Alongamento % : 0,5 à 12%)
Fundidos: Ligas de alumínio
41
Exemplos de peças em ligas de Alumínio
Sob-
pressão
Coquilha
Cabeçote
Carcaça da caixa de câmbio
Pistão
Coletor de admissão
Fundidos: Ligas de alumínio
�Forjados:
43
Forjados: processo
Processo de fabricação de válvulas Processo de fabricação de Bielas
44
Exemplos de soluções de materiais para uma mesma ap licação:
MATERIAL FERRO FUNDIDOS LIGAS DE 
ALUMÍNIO
AÇO 
FUNDIDO
FORJADOS OUTROS 
PROCESSOS
GL GV GS
Fer Perl
Mancal do pilar Sinterizado
Bloco do motor
Carcaça da caixa Magnésio
Coletores Chapas soldadas
Cabeçote
Virabrequim
Biela
Alguns componentes do motor:
- Principais funções
- Principais solicitações
- Material (ais) utilizado(s)
- Cuidados / casos (falhas) / observações
Forjados
Fundidos
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Cabeçote � Permitir transmitir o esforço da câmara de combustã o 
para o pistão.
� Permitir a entrada de combustível e saída de gases
� Suportar as válvulas e comandos de válvulas
� Refrigerar a câmara de combustão, etc.
� Geometria complexa
� Altas tensões (mecânicas + térmicas)
� Fadiga (térmica)
� Alta temperatura
� Ataque químico (corrosão)
� Alumínio AlSi7-9 (Cu, Mg)- Fundição por gravidade ou 
sob-pressão com ou sem tratamento térmico.
� Ferro fundido (GL)- motor diesel
� Principais Funções:
� Principais Solicitações:
� Material (ais) utilizado(s):
material Custo Peso Resistência 
mecânica 
Resistência 
química 
Fadiga Desgaste Condutividade 
térmica a 
AlSi7-9(Mg,Cu) + + + + + + +++ + + + + + 
Ferro fundido + + + + + - ++ ++ + ++ 
 
 
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Cabeçote � Cuidados/ casos / observações
Trincas
Causas possíveis: Fadiga / defeito de 
material / dimensional
Compactação
Rechupe Porosidade- gás
Inclusões óxidos
Sanidade do material e microestrutura
Endurecimento estrutural
Bruto T6~ 12h á 220 C 
Fluência> Alumínio, queda acentuada 
das propriedades com a temperatura
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Válvulas � Permitir a abertura e obstrução do combustível e ga ses 
de escape.
� Assegurar uma boa estanqueidade da câmara de 
combustão
� Suportar importantes tensões mecânicas, etc.
� Altas tensões (mecânica+ térmicas)
� Desgaste
� Fadiga (térmica+ alta ciclagem)
� Altas temperaturas
� Ataque químico (corrosão)
� Peso (menor possível- inércia)
� Válvula de admissão: monomaterial em aço inox marten sítico Cr Si 
(Mo, V) (9-3)
� Válvula de escapamento (tulipa): monomaterial ou bim aterial em 
aço inox austenítico Cr Ni Mn (Mo, Co, V, Nb)(21-9) 
� Revestimento: sem revestimento, temperado, nitretad o ou 
material de adição 
� Principais Funções:
� Principais Solicitações:
� Material (ais) utilizado(s):
material Custo Peso Resistência 
mecânica 
Resistência 
química 
Fadiga Desgaste Fluência Temperabilidade 
Aço inox martensitico - + + + + + ++ +++ + ++ +++ + + + 
Aço inox austenítico - + + +++ ++ + ++ - 
 
 
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Válvulas � Cuidados/ casos/ observações
Válvula de escape: 
Susceptível ao desgaste, devido 
pouca lubrificação e corrosão (etanol), 
aço inox austenítico >não é possível 
Têmpera 
-Soluções: blindagem com material de 
adição inox alta liga Cr Ni (C, Si,W,Co)
- Nitretação (em banho de sal)
Fluência> Aço inox, escolha do material 
de acordo com a tempetura do motor
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Válvulas � Cuidados/ casos/ observações
Excesso de temperatura
Fadiga:
Causa possíveis: dobra de conformação, escolha do 
material, dimensionamento, etc
Desgaste - sem revestimento (nitretação)
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Pistão � Transmitir o esforço da câmara de combustão para a 
biela/ virabrequim.
� Aspirar o combustível e evacuar o gás após combustã o
� Evitar a passagem de óleo do cárter para a câmara d e 
combustão
� Baixa Vibração (inércia)
� Altas tensões (mecânicas+ térmicas)
� Fadiga (Mecânica e térmica)
� Alta temperatura
� Desgaste
� Ataque químico (corrosão)
� Baixo peso (inércia)
� Alumínio AlSi12-13 (Cu, Ni, Mg)- Fundição por gravid ade 
com ou sem tratamento térmico.
� Revestimento: Topo: anodizado. Saia: estanhado (1 a 
2 microns) ou grafitizado (10-20 microns)
� Principais Funções:
� Principais Solicitações:
� Material (ais) utilizado(s):
material Custo Peso Resistência 
mecânica 
Resistência 
química 
Fadiga Desgaste Condutividade 
térmica a 
AlSi12-13 (Cu, 
Ni, Mg) 
+ + + + + + +++ ++ + + + + 
 
 
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Pistão � Cuidados/ casos/ observações
Susceptível ao desgaste: 
- Soluções: Anodização no vão do 1º anel
- Revestimento da saia: estanhado ou 
grafitizado
Fluência> Alumínio, queda acentuada das 
propriedades com a temperatura
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Pistão � Cuidados/ casos/ observações
Fadiga:
Condições severas de temperatura, altas 
solicitações mecânicas, número de ciclos elevado.
Geometria
Defeitos de fundição 
Defeito de 
fundição
~75000 N
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Biela � Transmitir o movimento de translação do pistão em u m 
movimento de rotação do virabrequim.
� Contribui no bom funcionamento das bronzinas
� Baixa Vibração(inércia)
� Altas tensões (mecânicas+ térmicas)
� Fadiga (mecânica)
� Ataque químico (corrosão)
� Baixo peso (inércia)
� Ferro fundido nodular (GS)
� Aço recozido (médio C) ou temperado e revenido.
� Superfície: jateamento – shot peening (fadiga)
� Sinterizado
� Principais Funções:
� Principais Solicitações:
� Material (ais) utilizado(s):
material Custo Peso Resistência 
mecânica 
Resistência 
química 
Fadiga Desgaste Fluência Temperabilidade 
Ferro fundido nodular ++ + + + ++ ++ + + ++ - 
Aço + + + ++ ++ +++ + + ++ +++ 
 
 
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011
Biela � Cuidados/ casos/ observações
Flambagem: 
- Causa provável: instabilidade 
da combustão.
- Calço hidráulico.
Fadiga> Alta solicitação mecânica- cíclica
Possíveis causas: concentração de tensão
Defeitos de fundição e forjamento (dobras), etc
Importante contra fadiga > 
jateamento – shot peening
ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011