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Materiais utilizados na
concepção de um automóvel
Materiais metálicos e respectivos
componentes
Engenharia Mecânica
Projecto FEUP
2010/2011
Relatório realizado por:
Equipa MMM501
Ana Castro
André Costa
Ângela Neves
Joaquim Melo
Susana Ferreira
Vítor Lopes
Coordenador: Teresa Duarte
Supervisor: Abel Santos
Monitor: Pedro Lebre
25 de Outubro de 2010
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
2
Resumo
Neste relatório serão abordados os materiais metálicos utilizados na concepção
de um automóvel: principais características, os materiais no automóvel, os seus
processos de produção e respectiva reciclagem. Serão também abordados dois
principais processos de formaçao de componentes automóveis: fundição e
conformação plástica.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
3
Índice
Resumo ............................................................................................................................. 2
Índice ................................................................................................................................ 3
1- Introdução ................................................................................................................ 4
2- Materiais metálicos utilizados na concepção de um automóvel ............................. 5
2.1- Materiais ................................................................................................................ 7
Aço ............................................................................................................................ 7
Alumínio .................................................................................................................. 18
Magnésio ................................................................................................................ 21
3- Métodos utilizados para trabalhar os metais ......................................................... 23
Conformação plástica .................................................................................................. 23
Fundição ...................................................................................................................... 25
4- Conclusões .............................................................................................................. 27
Referências ..................................................................................................................... 28
Anexos ............................................................................................................................ 30
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
4
1- Introdução
O Projecto Feup é uma disciplina que tem como principal escopo promover não
só as competências dos alunos na área da investigação, mas também a nível de
trabalho de grupo e de exposição do projecto desenvolvido. O tema atribuído ao grupo
foi “Materiais metálicos usados na concepção de um automóvel”. Assim, através deste
relatório pretende-se abordar de forma sucinta cada um dos seguintes tópicos:
I. Identificação num veiculo automóvel dos diferentes tipos de materiais
metálicos e dos diferentes componentes em que são utilizados;
II. Identificação e associação de diferentes materiais com diferentes
características para diferentes aplicações e solicitações;
III. Identificação dos processos de fabrico utilizados na produção dos diversos
componentes e respectivos materiais.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
5
2- Materiais metálicos utilizados na
concepção de um automóvel
Os metais são materiais bastante utilizados no nosso dia-a-dia. Constituindo
80% da tabela periódica, permitiram um grande desenvolvimento de diversas
áreas, nomeadamente na área automóvel.
Constituídos maioritariamente por materiais metálicos, os automóveis
apresentam uma estrutura usualmente composta de alumínio, magnésio e
diferentes tipos de aços, para além de outros materiais em menores quantidades,
como podemos observar na Fig. 1.
Fig. 1: Estrutura de um automóvel
Porém, cada vez mais se procuram formas de melhorar o automóvel em
vários aspectos. Estas mudanças concentram-se maioritariamente em aspectos
ecológicos: redução do consumo e peso do automóvel, gases libertados, reciclagem
de materiais… A mudança de materiais utilizados tem por base o gráfico seguinte:
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
6
Gráfico 1: Escolha dos materiais a utilizar num automóvel
Visto que são utilizados vários metais, apenas serão abordados os mais
utilizados: alumínio, aços e magnésio.
Decisão da empresa
Expectativas dos clientes
-funcionalidade
-qualidade
-segurança
-economia
-comforto
-design
Exigências técnicas dos materiais e componentes
-função
-durabilidade
-compatibilidade ambiental
-redução dos custos
Requerimentos Legais
-consumo
-emissão
-velocidade máxima
-reciclagem
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
7
2.1- Materiais
Aço
Principais características do aço
Este metal, na sua composição ordinária, é o resultado de uma combinação de
ferro com carbono.
Sendo um dos materiais mais utilizados na construção automóvel, este foi
inicialmente eleito o principal graças às suas características:
Fácil obtenção e barato;
Existe muita maquinaria destinada a trabalhar com este material;
Existem muitas entidades que realizam e dedicam estudos ao conhecimento do
aço, sendo este vastamente conhecido;
É dificilmente quebrado, ou seja, é muito robusto e rijo;
Apresenta uma grande capacidade de suportar o stress provocado por outros
componentes do automóvel mantendo sempre a sua rigidez;
É fácil de manejar, pode ser moldado em formas complexas e a sua força pode ser
ainda maior quando processado e trabalhado nesse sentido;
As folhas de aço oferecem elevado grau de flexibilidade para acondicionar
motores, passageiros e mercadoria;
É o metal mais reciclável do mundo.
Processos de produção:
Quanto à sua produção, são conhecidos quatro processos: o conversor de
Bessemer; o forno de Siemens-Martin; o forno básico de oxigénio e o forno eléctrico.
Com o passar dos anos e com o progresso, o processo que foi adquirido como principal
e mais eficaz na produção do aço foi o do forno básico de oxigénio.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
8
Serão então brevemente explicados os métodos que utilizam o forno básico de
oxigénio e o forno eléctrico:
Processo que utiliza o forno básico de oxigénio
Neste processo, a gusa ou a sucata fundida são colocadas num contentor de
tijolos alcalinos que se encontra revestido com resistências eléctricas. Faz-se baixar um
tubo ou uma lança até ficar muito próximo da superfície do metal fundido, pelo qual se
faz passar oxigénio puro a alta pressão. A superfície do metal é assim agitada e as
impurezas presentes neste são oxidadas. Este processo, além de eliminar as
impurezas, garante a mínima quantidade de nitrogénio possível (a presença do
nitrogénio pode deixar o aço quebradiço). O aço fundido será depois derramado para
recipientes apropriados e depois destinado à produção dos pedidos feitos por clientes.
Este é o método mais utilizado a nível industrial, pois tem capacidade de
produzir aço de qualidade em relativamente pouco tempo.
Processo que utiliza o forno eléctrico
Este processo é utilizado quando os aços em causa são de alta qualidade e
requerem atenção especializada. Faz-se, então, passar uma corrente eléctrica de valor
muito elevado pelos eléctrodos do forno, o que provoca a fusão da sucata de aço e do
ferro. A qualidade do aço produzido desta forma pode ser controlada precisamente,
dado que se pode manter a temperatura do forno num valor exacto e a não existência
de produtos secundários da combustão para o contaminar é assegurada. Os fornos
eléctricos são também utilizados para refinar o aço, produzindo os aços “extra puros”
utilizados, por exemplo, na indústria petroquímica.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
9
Depois de um destes processos, o aço produzido é moldado em lingotes, que
podem ser trabalhados, quando quentes, com martelo ou por compressão entre rolos
de maneira a obter folhas de aço. Alternativamente, o processo contínuo, no qual o
metal fundido é continuamente feito fluir para um molde aberto, arrefecido com água,
produz uma viga de aço contínua.
O Aço no Automóvel
Graças às suas propriedades físicas e mecânicas, o aço é o principal
componente dos automóveis. É o detentor de cerca de 66% do peso do veículo,
juntamente com o ferro e é utilizado em muitas partes cruciais deste, desde as
estruturas mais pequenas (peças das variadas componentes e afins) às maiores,
nomeadamente a carroçaria e o chassis, que define a estrutura do veículo e suporta
todos os outros componentes.
Nos veículos de estrada dos dias de hoje, as carroçarias e chassis são feitos
essencialmente de aço. Há, no entanto que ter em conta que existem centenas de
tipos de aço e nem todos os modelos actuais utilizam os mesmos, por exemplo,
enquanto umas entidades da indústria automóvel recorrerem a um tipo de aço
denominado “Boron steel”, outras poderão utilizar outros tipos de aço que consideram
mais adequados, como por exemplo, o aço baixo em carbono.
Os problemas do aço
As razões que levam o aço ser o causador da maior parte do peso do automóvel
são as mesmas pelas quais ele foi escolhido: a sua robustez, rigidez, força e, portanto,
densidade (m/V), e a capacidade de tolerar o stress sem quebrar. No entanto, apesar
de no passado não constituir um problema, com o passar dos anos e graças à
economia que fez disparar os preços dos combustíveis e a uma maior atenção dada à
segurança e às questões ambientais, o factor peso é causador de grande desconforto
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
10
aquando da utilização deste metal. Deste modo, uma das grandes preocupações da
indústria automóvel é diminuir o peso dos veículos permitindo que toda a segurança,
quer do ambiente quer dos passageiros e transeuntes, seja assegurada e a eficiência
seja cada vez maior.
Contributos para a resolução de problemas
Tendo como objectivo a resolução da problemática do peso, várias
investigações, estudos e ensaios foram postos em andamento. Assim, nos dias que
correm existem alternativas mais apelativas à indústria automóvel.
Sendo, ainda, o aço, um material com características muito vantajosas para a
concepção dos veículos, diversas companhias de aço1, representando vários países,
investiram 22 milhões de dólares americanos para iniciar, em 1994, um estudo que
mostrasse a capacidade de este material, que causou o problema, ser o mesmo capaz
de o resolver, isto é, mostrar a capacidade do aço, quando modificado, reduzir o peso
da carroçaria e chassis do veículo, melhorando a sua eficiência e, ao mesmo tempo,
assegurar a protecção e conforto dos passageiros tudo a uma custo acessível. "As
automakers experiment with various materials to take weight out of their vehicles, they quietly have
found a solution in a material with which they are most familiar -- steel sheet," said Darryl C. Martin,
senior director, Automotive Applications, American Iron and Steel Institute (AISI), March 1999.”[Martin,
1999]
Para tal, este consórcio de companhias de aço denominado World Auto Steel,
contratou a firma Porsche Engineering Services para planear um primeiro estudo e
depois construir cerca de uma dúzia de estruturas automóveis que comprove a teoria
lançada. Tal foi imediatamente iniciado e desde 1994 até aos nossos dias, grandes
progressos foram feitos na procura de novos tipos de aço, menos densos, não
comprometendo a sua força e resistência.
Foram, então, postos à prova novos tipos de aço denominados aços de alta
resistência (High strength steel), aços de alta resistência avançada (Advance High
1 Ver em anexo
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
11
strength steel) e aços de ultra elevada resistência ( Ultra High strength steel): aços
ainda mais evoluídos e capazes de desempenhar as suas funções com maior eficácia e
menores custos, quer para o fabricante do automóvel, quer para o meio ambiente.
Aços de Alta Resistência (High Strength Steel)
É um tipo de aço baixo em carbono cujo desempenho e propriedades
mecânicas, quer força, resistência ou capacidade de resistir ao stress, são superiores
ao aço de carbono mais comummente utilizado e o seu rácio resistência/peso é mais
favorável. Isto é, o facto de não haver necessidade de ser mais denso, ou seja, mais
pesado, para realizar mais força e ter mais resistência, faz com que seja um candidato
ideal para a produção de estruturas e componentes automóveis. É estimado que o HSS
seja 20 a 30% menos denso que os aços de carbono desempenhando a mesma força e
resistência. Além desta qualidade essencial para o desenvolvimento sustentável da
indústria automóvel, apresenta também uma maior resistência à corrosão, evitando
assim tantas preocupações com a deterioração do material.
Hoje em dia, já existem veículos que primam a utilização deste material e que,
por isso, são maioritariamente compostos por este.2
2 Ver exemplos em anexo
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
12
Aços Avançados de Alta Resistência (AHSS)
A criação e produção de aços avançados de alta resistência é uma das principais
respostas da siderurgia aos desafios impostos pelos seus clientes que cada vez mais
procuram uma maior competitividade e um maior cuidado com o consumo energético
e impacto ambiental.
O caso da indústria automóvel é desde cedo um dos mais emblemáticos na
produção destes aços avançados visto que esta necessita de reduzir cada vez mais o
peso dos seus produtos para minimizar o consumo de combustível e diminuir o
impacto ambiental criado na sua produção e futura utilização.
Assim, as chapas mais finas de aço com maior resistência mecânica permitem
reduzir o peso das peças sem que ocorra a perda das suas características originais.
Contudo, existem casos em que um aumento da resistência leva à redução do
manuseamento do material, afectando a liberdade de design. A solução para tal
problema consiste na aplicação de efeitos microestruturais complexos, de modo a
conciliar, tanto quanto possível, essas características aparentemente contraditórias.
Neste relatório serão apresentados dois tipos de aço avançado de alta resistência que
durante o seu processo de formação sofreram alterações na sua microestrutura,
nomeadamente o aço do tipo DP (Dual Phase) e o aço do tipo TRIP (Transformation-
Induced Plastic).
Gráfico 2: Comparação dos aços AHSS (representados a cor) com os aços HSS
(representados a cinzento)
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
13
Aço Dupla Fase ou Bifásico
O aço de dupla fase ou bifásico surgiu no final da década de 1970 e, tal como o
nome indica, a sua microestrutura consiste numa matriz ferrítica (80 a 85%) que
contém uma segunda fase martensítica (15 a 20%) dura em forma de ilhas.
O aumento da fracção de volume da fase dura (martensítica) aumenta
geralmente a resistência mecânica do aço.
A fig.3 representa um esquema da microestrutura do aço bifásico, que contém
a fase ferrítica e as “ilhas” de martensite. A fase ferrítica macia é geralmente contínua
dando ao aço uma excelente ductilidade. Quando ocorre a deformação do aço, a
tensão acumula-se nas zonas de menor resistência da fase ferrítica, ou seja, em torno
das zonas duras de martensite, fornecendo a este tipo de aço uma resistência muito
superior.
A taxa de deformação e a grande capacidade de alongamento por parte deste
tipo de aço faz com que este obtenha uma resistência muito superior á dos tipos aço
convencionais equivalentes.
Fig.2: Aço de dupla fase
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
14
O gráfico 3 compara as curvas de tensão-deformação de dois tipos de aço com
níveis de rendimento semelhantes, sendo um do tipo HSLA (High Stength Low-Alloy) e
o outro do tipo DP (Dual Phase). Observa-se que o aço bifásico apresenta uma menor
taxa de deformação inicial mas rapidamente passa a ter uma taxa de deformação
muito superior à do aço HSLA.
O aço bifásico e outros AHSS têm também diferentes efeitos de endurecimento
pelo calor, o que constitui um importante benefício comparado com os mais
resistentes aços convencionais. O efeito de endurecimento consiste no aumento da
resistência do aço que resulta do envelhecimento a elevadas temperaturas (em fornos
de tintas). A extensão do efeito do endurecimento pelo calor nos AHSS depende da
química específica e da história térmica de cada aço.
Gráfico 3:Curvas de tensão-deformação do aço bifásico e de aços convencionais
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
15
TRIP (Transformation Induced-Plastic)
Este tipo de aço segue o princípio do tipo Dual-Phase. A sua microestrutura é
constituída basicamente por austenite retido incorporado numa matriz primária de
Ferrite. Além de um mínimo de 5% de austenite retido, fases duras, como martensite e
bainite, estão presentes em quantidades que podem variar. Normalmente, os aços
TRIP necessitam de um suporte isotérmico, a uma temperatura intermédia, que
produz bainite. A maior quantidade de Silicon e Carbono presente resulta em fracções
de austenite retido, com volume significativo, na microestrutura final. A fig.3 mostra a
microestrutura deste material.
Figura 3:TRIP
Durante a sua deformação, a dispersão da segunda fase dura em ferrite cria
uma maior resistência, tal como se pode observar na em aços dos tipo Dual-Phase. No
entanto, em aços TRIP a austenite retida também se transforma progressivamente em
martensite com um consequente aumento da tensão. Daí resulta o aumento da
resistência a uma maior taxa de tensão. Tal, está ilustrado no gráfico 4, onde se faz a
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
16
comparação do comportamento da tensão deste tipo de aço com, por exemplo, o tipo
relatado anteriormente, Dual-Phase.
Gráfico 4:Curvas de tensão-deformação do aço TRIP, aço bifásico e e de aços convencionais
Como é possível observar no gráfico, o aço do tipo TRIP tem uma taxa de tensão inicial
inferior à do tipo Dual-Phase, mas esta mantém-se quando a do Dual-Phase começa a
diminuir, mostrando assim uma maior resistência.
A grande vantagem do TRIP é que, graças às suas características e composição, tem a
capacidade de oferecer um manuseamento mais fácil e, por isso, permitir a produção
de componentes com design mais complexos mantendo um baixo peso com a mesma
eficiência. Além disso, demonstra uma grande capacidade de absorção de energia
aquando um acidente. É um material extremamente resistente e as suas propriedades
são consideradas por muitos como ideais para a sua utilização na indústria automóvel.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
17
Reciclagem do aço
Vantagens da reciclagem do aço:
Diminuindo a extracção do ferro da Natureza, são reduzidos os impactos
ambientais negativos;
Processo economicamente vantajoso;
A reciclagem do aço poupa 75% de energia actualmente;
Através da reciclagem de uma tonelada de aço são poupados 1140Kg de minério
de ferro, 144Kg de carvão e 18Kg de cal.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
18
Alumínio
Principais características do alumínio
O alumínio é um elemento químico de símbolo Al. Na temperatura ambiente é
sólido e é assim o elemento metálico mais abundante da crosta terrestre. Apresenta
leveza, condutividade eléctrica, resistência à corrosão e baixo ponto de fusão que lhe
conferem uma multiplicidade de aplicações, sendo a indústria automóvel um bom
exemplo3. A sua densidade é baixa, aproximadamente um terço da do aço ou do cobre.
É o segundo metal mais maleável e o sexto mais dúctil, apto para a
mecanização e fundição, além de ter uma elevada durabilidade devido à camada
protectora de óxido. No entanto, apesar do baixo custo da sua reciclagem, o que
aumenta a sua vida útil e a estabilidade do seu valor, a elevada quantidade de energia
necessária para a sua obtenção reduzem o seu campo de aplicação, além das
implicações ecológicas negativas no rejeito dos subprodutos do processo de
reciclagem, ou mesmo de produção do alumínio primário.
Processo de produção do alumínio
O processo de obtenção do alumínio ocorre em duas etapas: a obtenção da
alumina pelo processo Bayer e, posteriormente, a electrólise do óxido para obter o
alumínio. A elevada reactividade do alumínio impede extraí-lo da alumina mediante a
redução, sendo necessário obtê-lo através da electrólise do óxido, o que exige este
composto no estado líquido. A alumina possui um ponto de fusão extremamente alto
(2000 °C) tornando inviável de forma económica a extracção do metal. Porém, a adição
de um fundente, no caso a criolita, permite que a electrólise ocorra a uma
temperatura menor, de aproximadamente 1000 °C. Actualmente, a criolita está a ser
substituída pela ciolita, um fluoreto artificial de alumínio, sódio e cálcio.
3 Ver artigo em anexo
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
19
Alumínio no automóvel
Como é cerca de 40% menos denso que o aço, ao alumínio foi dada muita
atenção por parte da indústria automóvel que procura diminuir o peso dos seus
produtos e, assim, aumentar a eficiência do veículo sem se recorrer a um motor mais
potente e, por isso, mais caro. Este material foi, então, estudado e averiguou-se a sua
capacidade e sustentabilidade em relação às tarefas a desempenhar caso viesse a ser
utilizado na indústria automóvel.
Com os diversos estudos e testes, concluiu-se que o alumínio é um material
capaz de corresponder às necessidades desta indústria: é um material pouco denso,
portanto permite reduzir a quantidade de combustível utilizado e, por isso, o impacto
ambiental; com os devidos tratamentos, é um material resistente e com capacidade de
resistir a impactos e absorver a energia dos mesmos protegendo os ocupantes do
veículo; a sua utilização em detrimento do aço pode diminuir o ruído e vibração e
providenciar uma maior estabilidade e resposta. Deste modo, grande parte dos
componentes estruturais dos veículos actuais de algumas marcas são de alumínio, tal
como se pode observar na fig. 4.
Com todas estas vantagens é natural que muitas empresas da indústria
automóvel tenham optado por utilizar este material na concepção dos seus produtos.
Por exemplo, a Audi foi a 1ª empresa a fazer carros de alumínio apresentando ao
público o Audi A8. Hoje em dia, no mercado Norte Americano, o alumínio é já o 2º
metal mais utilizado na construção de automóveis.
Fig. 4: Estrutura de um Audi TT Roadster
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
20
Os problemas do alumínio
Apesar de ser já o segundo material mais utilizado na concepção do automóvel,
a utilização do alumínio acarreta alguns problemas ainda por resolver.
Graças à sua composição química, algumas indústrias que trabalham com este
material deparam-se com um problema: o alumínio apresenta alguma dificuldade na
soldadura de diferentes componentes. Além disso, em comparação com o aço, é um
metal mais difícil de obter sendo, desta forma, mas caro. Porém, com diversos estudos
e desenvolvimentos é de crer que o alumínio ultrapasse o aço enquanto elemento
mais utilizado na concepção automóvel: “Inorder to getthere [betterfueleconomy],
wehave to downsize, downweightand use more aluminum.” -Dave McCurdy, President
and CEO of the Allience of Automobile Manufacturers.
Reciclagem do alumínio
Desde o séc. XX que o alumínio é reciclado, tendo diversas vantagens:
Poupança de cerca de 95% de energia relativamente ao processo de extracção do
alumínio da natureza;
Poupança de matérias-primas (através da reciclagem de uma tonelada de alumínio
são poupadas cinco toneladas do minério bauxite);
Redução de cerca de 95% da poluição atmosférica e 97% da poluição das águas;
Pode ser reciclado vezes sem conta sem que nenhuma das suas qualidades ou
propriedades seja perdida;
Quase 70% do alumínio utilizado nos veículos é metal já reciclado.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
21
Magnésio
Na indústria automóvel, o magnésio pode contribuir significativamente para
uma maior economia de combustível e conservação ambiental.
Recentes desenvolvimentos em revestimentos e ligas de Mg melhoraram as
propriedades de resistência à corrosão quer por parte de corrosivos naturais, quer por
parte de altas temperaturas. Com os actuais preços razoáveis e propriedades
melhoradas do Magnésio e das suas ligas, pode-se desde já pensar numa utilização
massiva num futuro próximo.
Em comparação com o uso de materiais alternativos, o uso de Magnésio pode
proporcionar uma redução de peso do automóvel de 22% a 70%.
Por fim, o uso de Magnésio em componentes automóveis está aumentando o
número de investigações acerca deste elemento de maneira a serem fabricadas ligas
com cada vez melhor qualidade.
Principais características do magnésio
O magnésio é o menos denso de todos os metais usados em engenharia: 1,74 g
/ c��, tendo o alumínio densidade de 2,7 g / c�� e o aço 7,86 g / c�� É o oitavo mais
comum elemento em todo o nosso Planeta. A aplicação de magnésio e das suas ligas
em componentes automóveis focam a redução de peso, poupança de energia e
conservação ambiental.
Processo de produção do magnésio
Pode ser produzido através da redução térmica do óxido de magnésio com
silicone ou da electrólise de cloreto de magnésio da água do mar (cada metro cúbico
de água do mar contém, aproximadamente, 1,3 kg (0,3%) de magnésio).
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
22
O magnésio no automóvel
Graças ao facto de ser um material bastante leve e pouco denso, o magnésio
tem vindo a ser objecto de estudo na indústria automóvel.
Ao contrário do aço e do alumínio que são principalmente candidatos à
produção dos componentes estruturais dos veículos (chassis e carroçaria), o magnésio
está encarregue de reduzir o peso dos automóveis através dos pequenos, mas
essenciais, componentes. Por exemplo, a substituição do alumínio pelo magnésio na
produção de transmissões pode levar a uma redução de peso de cerca de 20%-25%; é
utilizado nos painéis de controlo, cabeças dos cilindros, componentes da direcção,
assentos, entre outros componentes.
Reciclagem do Magnésio
Como a introdução do magnésio, em maior escala, na construção automóvel é
algo relativamente recente, ainda estão a decorrer estudos que ajudem a encontrar as
melhores e mais “verdes” soluções para a reciclagem deste material.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
23
3- Métodos utilizados para trabalhar os
metais
Como este relatório aborda os materiais metálicos utilizados na produção dos
diferentes componentes do automóvel, será interessante fazer uma breve introdução
sobre os métodos utilizados para trabalhar os metais com o objectivo de criar os ditos
componentes.
É bem conhecido que os metais são dos materiais mais utilizados graças às suas
propriedades e devido à facilidade, que grande parte apresenta, de serem
transformados e alterados de acordo com as exigências apresentadas. Podem obter
diversas formas úteis, como chapas finas, placas, barras e tubos que são criados graças
à conformação plástica.
Conformação plástica
A conformação plástica dos metais é um conjunto de processos em que a
modificação da forma e das dimensões da peça metálica ocorre pela acção de tensões
mecânicas que causam a deformação plástica dessa peça. Assim, nos processos
de conformação não há variação do volume nem da massa das peças conformadas. Os
processos de conformação plástica dos metais podem ser classificados normalmente
quanto às operações do processamento e às operações de fabricação. Quanto às
operações de processamento são classificados como: compressão directa (forjamento
e laminagem), compressão indirecta (extrusão), processos de tracção (estiramento),
processos de dobragem e processos de corte. Esta classificação está associada aos
tipos de força aplicadas sobre o material à medida que está a ser deformado. Quanto
às operações de fabricação podem ser classificados como: processos primários de
trabalho mecânico, os produtos são laminados de forma simples, e processos
secundários de trabalho mecânico onde os processos são utilizados para produzir
formas acabadas.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
25
Fundição
Outro dos diversos métodos de produção é a fundição dos metais.
A fundição é um processo cujo objectivo é dar forma aos materiais a partir da sua
fusão, escoamento para moldes adequados e consequente solidificação. A fundição é
usada para fazer formas mais complexas pois é mais fácil de atingir o produto esperado
e traz vantagens económicas que outros métodos não dispõem.
Para obter uma peça fundida é preciso fazer uma moldação com uma forma
aproximada da peça, fundir o metal em que a peça vai ser executada e vazar o metal
fundido para a cavidade. Após a solidificação do metal, segue a desmoldação e, por fim,
faz-se o acabamento da peça onde são cortados os canais de enchimento e os
alimentadores da peça. Acaba-se a peça através de escovas de aço manuais ou rotativas
e através da utilização de lixas e depois existe um controlo de qualidade.
Os moldes para onde se vaza o metal fundido são feitos de um metal refractário para
que consiga aguentar altas temperaturas de vazamento do metal fundido sem correr o
risco de deteriorações inconvenientes. Esse material é, na maior parte das vezes, areia
com vários aglomerantes e aditivos que lhe conferem propriedades mecânicas, e outras,
de que as moldações necessitam, não só para que o seu comportamento durante o
vazamento seja o melhor possível, mas também para se poder dar forma à moldação.
Para as ligas metálicas de baixo ponto de fusão são usadas moldações metálicas, sendo
feitas de aço ou ferro fundido, menos refractárias e mais caras do que a areia, mas que
permitem maior precisão e um melhor acabamento superficial.
A inspecção às peças fundidas tem como objectivo rejeitar as peças com defeito e
preservar a qualidade das matérias-primas utilizadas. O controlo de qualidade distribui-
se por três inspecções: a inspecção visual, onde se detectam defeitos visíveis resultantes
das operações de moldagem, confecção e colocação dos machos, de vazamento e
limpeza; a inspecção dimensional, onde é realizada normalmente em lotes pequenos que
são produzidos antes de toda a série de peças seja fundida; e por fim a inspecção
metalúrgica, que inclui uma analise química, um exame metalográfico para observação
da microestrutura do material, ensaios mecânicos para a determinação das propriedades
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
26
mecânicas e ensaios não destrutivos para a verificação da perfeição dos materiais
fundidos.
Os factores que devem ser considerados para a escolha do processo de fabricação de
uma peça são: a quantidade de peças a produzir, as tolerâncias requeridas, o grau de
complexidade, a especificação do metal, o acabamento superficial desejado e o custo.
Na fig.6 está ilustrado o processo de fundição de uma peça.
Figura 6: Fundição de uma peça
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
27
4- Conclusões
Através deste relatório, foi possível concluir que os principais materiais metálicos
utilizados na concepção automóvel dos nossos dias são o aço, o alumínio e o magnésio
e que a sua utilização tem sido alvo de estudos cujo objectivo é encontrar diferentes
formas de os utilizar de forma económica, ecológica e eficiente. Com os avanços a
níveis tecnológicos, os automóveis tenderão a ser cada vez mais leves, seguros e
ecológicos respeitando assim todas as restrições impostas a nível de emissões de
dióxido de carbono (CO2).
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
28
Referências
Sites:
http://autospeed.com/cms/title_Magnesium-Coming-Soon-to-a-Car-Near-You/A
(accessed 13 October, 2010)
http://blogwyda.wordpress.com/tag/aluminio-carro-de-aluminio/ (accessed 7
October, 2010)
http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:NEhN_LmCkPYJ:www.dem.feis.unesp.br
/maprotec/educ/cpm/cpm_9.pdf+compress%C3%A3o+directa+(forjamento+e+lamina
%C3%A7%C3%A3o),&hl=pt-PT&gl=pt&pid=bl&srcid=ADGEESjylatVeBxH859pBc-
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Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
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Anexos
1. “Alumínio já é segundo material mais utilizado em automóveis”
Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/03/2006
Uma pesquisa feita por encomenda da Aluminum Association, uma entidade que
reúne os maiores produtores mundiais do metal, revela que o alumínio já é o segundo
material mais utilizado na indústria automobilística, perdendo apenas para o aço.
Na América do Norte, segundo a pesquisa, são utilizados, em média, 145 quilos de
alumínio para cada carro e caminhão produzidos.
A diferença em relação às pesquisas anteriores é que o alumínio ultrapassou o ferro.
Obviamente, há que se considerar que o aço é uma liga composta basicamente por
ferro. Somando-se os dois, o segundo lugar do alumínio perderia muito do seu brilho.
Mas a comemoração que esse relatório gerou na indústria foca-se mais no
distanciamento do alumínio em relação aos materiais que são seus concorrentes
diretos, como ligas de magnésio e compósitos.
Ou seja, o que vale mesmo nesta corrida não é tanto a aproximação do primeiro lugar,
mas a folga em relação àqueles materiais que vêm no encalço do próprio alumínio.
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
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2. Membros actuais da World Auto Steel
Anshan Iron and Steel Group Corporation - China
Arcelor Mittal - Luxembourg
Baoshan Iron & Steel Co. Ltd. - China China Steel Corporation - Taiwan, China
Hyundai-Steel Company - South Korea
JFE Steel Corporation - Japan
Kobe Steel, Ltd. - Japan
Nippon Steel Corporation - Japan
Nucor Corporation - USA
POSCO - South Korea
SeverStal - Russia/USA (Visit SeverStal JSC Visit SeverStal NA)
Sumitomo Metal Industries, Ltd. - Japan
Tata Steel - India, UK, Netherlands
ThyssenKrupp Steel Europe AG - Germany
USIMINAS - Brazil
United States Steel Corporation - USA
voestalpine Stahl GmbH - Austria
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
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3. Para a composição deste relatório, recorremos a dois modelos automóveis
actuais:
O modelo Scion xB 2009 usa diferentes graus de elevada resistência do aço na
composição da sua estrutura. (Fig.1)
Figura 1: Estrutura do modelo Scion xB 2009
O modelo Mazda 3 2010 que é construído com cerca de o dobro de aço de alta
resistência do que o modelo anterior. (Fig.2 )
Figura 2: estrutura do modelo Mazda 3 2010
Materiais Metálicos utilizados na concepção de um automóvel
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4. Nova técnica de fundição do Magnésio
Num futuro bem próximo, os carros poderão ser muito mais leves mas muito
mais resistentes do que os actuais! Isto porque os engenheiros australianos do
Instituto de pesquisas CSIRO alcançaram avanços no processo de fundição do
magnésio.
A esta nova tecnologia foi dada o nome de T-Mag e permite a fundição de ligas
de magnésio de alta integridade (sem porosidade ou outros defeitos) a partir de
moldes permanentes e é muito mais económica. Esta tecnologia permite, por
exemplo, a criação de blocos de magnésio para motores 33% mais leves que os de
alumínio e com apenas um terço do peso do bloco de ferro fundido.
Esta tecnologia não utiliza o método de fundição sob pressão o que aumenta
significativamente o rendimento. Segundo o investigador Thang Nguyen “A T-Mag
utiliza apenas 3,7 kg de liga para produzir um fundido de 3,5 kg. Isso reduz a
reciclagem, o uso de energia e economiza muito em custos de fusão”. No método de
fundição sob pressão consome-se cerca de 6 a 7 kg de metal para se produzir um
fundido de 3,5 kg.
Esta tecnologia provocará um uso massivo nos automóveis num futuro próximo
tendo em conta a resistência do magnésio e o seu peso e o rendimento desta técnica.