A integração de materiais leves e componentes para aplicações automotivas tem sido um fator-chave da comunidade automotiva global desde a crise do petróleo do início dos anos 70. Desde então, os fabricantes têm integrado novas tecnologias de componentes de baixo peso que têm contribuído para a redução do consumo de combustível em seus veículos
Desde os anos 70, os governos adotaram legislações que variam de país para país, sendo que uns focam nos níveis de emissões e outros na economia de combustível. Nos EUA, as emissões de CO2 e os padrões de Economia Corporativa Média de Combustível (Corporate Average Fuel Economy – CAFE) são os principais motores da redução de peso. A Fig. 1 ilustra estes objetivos e a pressão que os fabricantes de automóveis enfrentam hoje. As iniciativas de redução de peso têm tomado muitas formas ao longo dos últimos 35 anos e incluem o reprojeto de sistemas de suspensão, o projeto de motores menores e mais potentes e a integração de alumínio e aço de alta resistência em substituição a outros materiais mais pesados. Este artigo irá revisar os recentes avanços obtidos através da integração da fundição intensiva de alumínio estrutural em automóveis, a evolução da fundição e focará sobre as novas tecnologias de tratamento térmico disponíveis para atender as demandas crescentes de produtividade e qualidade.
História
O uso do alumínio em automóveis remonta à década de 40 e tem aumentado desde então. O Relatório Drucker da Associação do Alumínio (Fig. 2) informou recentemente que os componentes automotivos de alumínio intensivo cresceram quatro vezes, de uma média de 38 quilos por carro em 1975 para 155 quilos em 2012. Além disso, prevê-se que haverá 250 quilos de alumínio usados em veículos leves na América do Norte em 2025, o que representa um aumento de 63%.
Historicamente, vimos a utilização de alumínio em automóveis na fabricação de blocos de motores, cabeçotes, rodas e componentes de suspensão. Progressivamente ao longo dos anos, temos visto os fabricantes de automóveis integrar alumínio em estruturas e carrocerias de veículos. Hoje, é comum ver engenheiros de desenvolvimento focarem na próxima onda de transformações, projetando suspensão e estrutura de carroceria bruta integrando componentes estruturais leves de alumínio. Especificamente, esses componentes incluem extrusões, peças fundidas e chapas de alumínio que são transformadas para uso como torres de suspensão, berços de motor, caixas de torque, colunas B, molduras, caixas de bateria, portas, tetos e estruturas frontais de automóveis. A Fig. 3 ilustra a maneira como estes componentes foram introduzidos em diferentes formas de uma nova estrutura de veículo. A Fig. 4 fornece um bom exemplo de uma fundição estrutural de baixo peso que substituiu uma série de componentes de aço fabricados e montados, resultando em redução de 40% no peso. Esta nova fundição estrutural foi possível como resultado da evolução da tecnologia de fundição e tratamento térmico de alta pressão que proporciona aos fabricantes a flexibilidade de solda, rebite e aplique adesivo para fixação de outros componentes do veículo.
Tecnologia de Fundição
Os fundidos estruturais são de particular interesse hoje, já que novos e eficientes métodos de fundição e de tratamento térmico podem ser utilizados para produzir fundidos estruturais automotivos de alta integridade, que são complexos e integram as seções de parede fina, que criam desafios de escoamento de metal. Historicamente, a produção de fundidos de paredes finas foi limitada a tampas e caixas não-críticas, devido a limitações da fundição convencional e ao desenvolvimento de ligas. Como resultado, os desenvolvedores estavam limitados às propriedades mecânicas similares aos fundidos e não podiam aplicar qualquer benefício em resistência através de tratamento térmico, os quais estavam disponíveis para outros métodos de fundição de alumínio.
Hoje, o panorama mudou consideravelmente com o avanço dos processos de fundição de alta pressão (High Pressure Die-Casting – HPDC), que produzem fundidos de paredes finas e de alta integridade, os quais são livres de porosidade. Além disso, os fornecedores de ligas de alumínio têm desenvolvido ligas especiais que são especificamente ajustadas para o processo de HPDC e fabricação de componentes automotivos de alta integridade estrutural. Através da combinação de processos de fundição e do desenvolvimento de liga leve, os operadores de fundição agora têm opções para desenvolver novos e mais complexos fundidos estruturais automotivos, cujas propriedades podem ser melhoradas por tratamento térmico.
Processo de Tratamento Térmico
O propósito de introduzir o processo de tratamento térmico para componentes estruturais de alumínio é de alterar as propriedades mecânicas e chegar a uma melhor combinação exigida de resistência e ductilidade para a estrutura do veículo. Dependendo dos requisitos da estrutura, estes processos podem incluir T5 apenas envelhecido artificialmente; solução T6 tratada, temperada e envelhecida artificialmente; e solução T7 tratada, temperada e super-envelhecida artificialmente. O tratamento T5 (somente envelhecido artificialmente); o T6 (solubilizado, temperado e envelhecido artificialmente); e o T7 (solubilizado, temperado e super-envelhecido).
Os processos de tratamento térmico incluem passos múltiplos de aquecimento e manutenção de temperatura com resfriamentos ou operações de têmpera intermediários. O tempo de imersão à temperatura necessária para atingir as propriedades desejadas é uma função da capacidade da liga de desenvolver uma solução sólida homogênea e microestrutura das peças fundidas antes do tratamento térmico. A uniformidade do processo é um fator primordial no processamento, o qual ditará a uniformidade das propriedades nas diversas seções da peça fundida, com a eliminação de distorções geométricas e redução dos níveis de tensão residual. A têmpera é um passo precário e necessário ao processo, em especial quando processando componentes estruturais de parede fina. Como resultado, extremo cuidado é tomado para garantir que processos sejam validados usando uma combinação de modelagem computacional de dinâmica dos fluidos (computational fluid dynamic – CFD) e ferramentas de teste físico. É imperativo que essas ferramentas sejam utilizadas no desenvolvimento de instalações de tratamento térmico, em combinação com integração de flexibilidade do sistema através de constante feedback e parâmetros de controle de variáveis. Um exemplo destas ferramentas de CFD utilizados para simular o processamento é mostrada na Fig. 5.
Carregadores de Peças
Esforços significativos de projeto vão para a otimização do projeto da transportadora de componentes, devido às características de paredes finas dos fundidos. Devem ser realizadas as seguintes considerações cuidadosas nas entradas de projeto, modelagem e testes físico na concepção estrutural de uma transportadora de fundidos e instalações de tratamento térmico:
– Método de carregamento da fundição de e para o transportador;
– Temperatura de serviço variando entre 450 e 510°C em combinação com têmpera rápida;
– Maximizar a densidade de carga enquanto atende os requisitos de uniformidade;
– Sistema de transferência do transportador dentro das instalações de fundição – empilhadeiras ou outros métodos;
– Métodos necessários de orientação e apoio da fundição para o controle de distorção e propriedades uniformes;
– Sistema automático de transferência de fornos e capacidade rápida de têmpera;
– Flexibilidade de processamento para famílias de geometrias de peças semelhantes.
Tratamento de Solubilização
O tempo de permanência à temperatura de processamento, de 450 a 510°C, para as peças estruturais fundidas pode variar entre 10 e 15 minutos. As configurações do sistema incluem sistemas autossuficientes em lote, sistemas modulares contínuos e sistemas contínuos convencionais. O sistema de tratamento de solubilização pode integrar várias zonas de aquecimento e sistemas de transporte por rolos ou trilho suspenso. Nos casos em que espaço é limitado, o transportador por trilho suspenso pode oferecer vantagens na utilização do espaço da planta. Os transportadores são carregados automaticamente no forno de solubilização e rapidamente aquecidos através de sistemas de recirculação de convecção forçada a gás natural ou elétricos. Seguindo a frequência programada, o controlador lógico descarrega automaticamente o carregador de fundidos solubilizados para o sistema de têmpera pré-condicionado.
Produtos Grandes Exigindo Mascaramento Extensivo/ Endurecimento Seletivo
A têmpera convencional em água provou ser incompatível para a produção de fundidos estruturais de parede fina. Esta forma agressiva de têmpera e distorção resultante pode ser vista na Fig. 6, que compara um fundido de parede fina, livre de distorção e devidamente temperado ao ar com um fundido temperado em água. Desenvolvimentos significativos no processamento de têmpera a alta densidade ar têm sido alcançados. Com mais de 10 anos em experiência de desenvolvimento, um banco de dados abrangente foi montado para fornecer métodos previsíveis para a têmpera precisa ao ar (PAQ™) de vários componentes, ligas e aplicações.
Os sistemas PAQ podem ser integrados em linha ou fora de linha para o processamento modular e flexível. Eles integram uma combinação única de câmaras de recirculação de ar, bicos de distribuição, amortecedores e dutos direcionais que proporcionam uniformemente meios de têmpera condicionados, o que produz propriedades uniformes e repetitivas e bons resultados dimensionais. As taxas de têmpera são predeterminadas em função das propriedades mecânicas desejadas e da seleção da liga. Os controles manuais foram eliminados e substituídos por válvulas automáticas e amortecedores. Isto permite que as taxas de têmpera sejam controladas automaticamente para a peça específica que está sendo processada. Os parâmetros de têmpera são desenvolvidos para cada componente e, uma vez validados, podem ser integrados como parte da “receita” do produto. O sistema inclui recursos para verificar em tempo real se os parâmetros de taxa de têmpera de cada componente foram cumpridos, e a confirmação dos resultados é automaticamente arquivada para controle de supervisão do sistema e sistema de aquisição de dados.
Tratamento de Envelhecimento Artificial
Seguido da PAQ, os transportadores carregados são transferidos para o forno de envelhecimento artificial, onde são aquecidos e mantidos a temperaturas de 150 a 250°C. As configurações do sistema incluem sistemas autossuficientes em lote, sistemas modulares contínuos e sistemas contínuos convencionais. Sistemas de envelhecimento artificial integram características e benefícios semelhantes aos fornecidos com o sistema de forno para tratamento de solubilização.
Conclusões
Componentes estruturais fundidos de alumínio requerem maiores exigências de processamento de tratamento térmico do que os requisitos convencionais de fundição de alumínio. Devido a estas exigências, os fabricantes de componentes estruturais exigirão sistemas que atendam às seguintes diretrizes:
– Os sistemas para tratamento térmico de peças estruturais são projetados usando ferramentas de modelagem modernas e integram recursos sofisticados e únicos as peças estruturais fundidas;
– A relação entre o componente estrutural, transportador e manuseador automático do forno são cuidadosamente considerados e modelados computacionalmente por dinâmica dos fluidos para atingir as expectativas de uniformidade do aquecimento e da têmpera de um processo automotivo robusto;
– A estabilidade dimensional do fundido, reduziu os níveis de tensões residuais e otimizou níveis de propriedades mecânicas através da tecnologia comprovada de Têmpera Precisa ao Ar;
– Projetos de fornos para solubilização e envelhecimento integram flexibilidade para futuras expansões modulares de capacidade;
– Os parâmetros de taxa de têmpera são controlados automaticamente para as variações de condições ambientais e/ou locais, de modo a fornecer propriedades peça-a-peça reproduzíveis;
– A otimização do sistema de têmpera pode ser fornecida através da integração com sistemas de solução múltipla;
– O espaço do equipamento é otimizado por meio de sistemas de alta densidade de têmpera;
– Os sistemas de automação nível-2 fornecem uma seleção automática da “receita” das taxas de têmpera para vários componentes que estão sendo produzidos;
– Os sistemas de têmpera estão disponíveis para seções de peças pesadas e fundidos contendo areia no núcleo;
– Vários layouts do sistema podem ser considerados para o fluxo ideal de material na unidade;
– Os níveis sonoros do sistema de têmpera são minimizados através de características de design acústico;
– Os sistemas de tratamento térmico de componentes estruturais são projetados para serem compatíveis com CQI-9;
– Os sistemas são disponibilizados a nível global, integrando os códigos e requisitos de especificação locais.
Os sistemas de tratamento térmico de componentes estruturais de alumínio, bem como uma grande variedade de sistemas de tratamento térmico de outros metais ferrosos e não ferrosos, são disponibilizados pela Can-Eng Furnaces International, empresa fornecedor global de sistemas de tratamento térmico em estado-da-arte, e um importante provedor para a indústria automotiva através do fornecimento direto ou para seus fornecedores.
Sistema de Tratamento Térmico sem Cesto (Basketless Heat-Treatment System – BHTS®)
O Sistema de Tratamento Térmico sem Cesto (BHTS ®) utiliza um conceito de forno de soleira rotativa. Este forno modernizado é baseado em características de concepção semelhantes ao seu antecessor, mas integra múltiplos níveis de carrossel, como um meio de aumentar a capacidade do sistema. O BHTS tem patente pendente e pode ser disposto em um layout lado-a-lado para realizar os processos de tratamento da solução e de envelhecimento artificial. Uma grande vantagem deste arranjo é que os produtos individuais de alumínio podem ser colocados em sistemas rotativos, eliminando qualquer necessidade de cestos de transporte. Um sistema robótico flexível de manuseamento transfere o produto de um modo de fluxo único de peças da mesa de carga até um dos vários níveis de carrossel do forno de solubilização. Os fundidos são adequadamente posicionados dentro do carrossel e introduzidos no forno. O carrossel assegura que cada peça seja devidamente apoiada e recebe o fluxo de recirculação de ar uniforme durante as fases de rampa rápida e de imersão dos processos.
