Engrenagens sinterizadas para caixas de transmissão automotiva

Engrenagens sinterizadas para caixas de transmissão automotiva

O desenvolvimento de uma engrenagem sinterizada para caixas de transmissão no Brasil foi motivado pela parceria entre o Grupo Setorial de Metalurgia do Pó e o Centro Educacional da FEI, de São Bernardo do Campo, São Paulo

Na indústria automobilística o aço sinterizado já é largamente empregado em polias, bombas de óleo e água, anéis de sede de válvula, bielas, componentes do motor e câmbio, componentes de amortecedor, dentre outros. O grande desafio atual desta tecnologia é a fabricação de engrenagens para caixas de mudança automotivas, tanto automáticas quanto manuais.

Aumento das Propriedades

A Metalugia do Pó (MP) passou a ser utilizada industrialmente logo após a 2ª Guerra Mundial, onde buchas autolubrificantes sinterizadas eram empregadas na suspensão de veículos militares, evitando assim a necessidade de manutenção e lubrificação frequentes. Este material, devido à presença de porosidade, retém óleo em seu interior permitindo desta forma a lubrificação do sistema.

Nos anos seguintes, peças estruturais de aço sinterizado também passaram a ser fabricadas em escala. Para esta aplicação, o aumento na densificação do material resulta no aumento das suas propriedades mecânicas, característica essencial para o bom desempenho do componente.

A densificação foi aumentando com o passar dos anos em função da melhora das propriedades de compressibilidade dos pós metálicos, assim como a melhora dos ferramentais de compactação que passaram a ser feitos com maior precisão, melhor acabamento superficial e com materiais mais resistentes, capazes de suportar as grandes tensões necessárias para a compactação do pó (Fig. 1).

Engrenagens para Caixas de Transmissão

Engrenagens para este tipo de aplicação são submentidas a grandes solicitações mecânicas. Para que o desempenho desejado seja alcançado, o material deve ter uma grande resistência ao desgaste, à fadiga por flexão no pé do dente, à fadiga por contato, causadora de pitting, e um núcleo com elevada resistência para poder suportar as tensões inerentes ao trabalho realizado. Além disso a peça deve ter uma grande precisão dimensional (DIN Qualidade 7 ou superior), garantindo assim um engrenamento preciso e com NVH reduzido (Noise, Vibration, Harshness – Ruído, vibração e aspereza).

O processo tradicional de fabricação envolve forjamento, usinagem, cementação da superfície, tratamento térmico e, dependendo da aplicação, retífica dos dentes. Distorções no material ocorrem principalmente na etapa de tratamento térmico, exigindo assim operações posteriores de usinagem. Isto tem levado a indústria a desenvolver materiais que apresentem distorções menores durante o processo de fabricação, diminuindo assim a necessidade de usinagens mais profundas. O uso de materiais com alta usinabilidade também é uma solicitação dos fabricantes de engrenagem.

Metalurgia do Pó tem hoje como grande desafio desenvolver soluções para atender este mercado. O aumento na densificação do material e o desenvolvimento de ligas com propriedades superiores permitirá obter materiais com desempenho igual ou superior aos atualmente utilizados (Fig. 2). Isto tudo aliado à economia proporcionada pela MP, decorrente do alto aproveitamento de matéria prima e da baixa energia necessária para transformação do material (Fig. 3).

Desenvolvimentos Internacionais

Vendo este mercado com grande otimismo, fabricantes de pós metálicos vem trabalhando na melhora da compressibilidade e estabilidade destes materiais, assim como no desenvolvimento de ferramentais e do processo. A Höganäs AB, maior fabricante de pós metálicos no mundo, possui um centro de prototipagem (PoP Center) dedicado a preparação de protótipos. Também trabalha com empresas parceiras especializadas na fabricação de equipamentos especiais e engrenagens. Além disto, dedica-se à quebra de paradigmas, mostrando aos grandes fabricantes de caixas de transmissão o potencial da metalurgia do pó e suas vantagens. Para isto montou em um veículo Smart uma caixa de transmissão com engrenagens sinterizadas. Em Julho de 2012 este veículo completou 100.000km rodados sem que nenhuma falha ocorresse.

Outro trabalho vem sendo feito em carros de rally onde as engrenagens de todas as marchas foram substituídas por engrenagens sinterizadas compactadas pelo processo HIP (Hot Isostatic Pressing – Compactação Isostática a Quente) (Fig. 4). Através deste processo chega-se a um material que atinge 100% da densidade teórica e uma estrutura extremamente homogênea, o que permite obter materiais com desempenho superior ao material convencional. Novamente neste caso as engrenagens suportaram o trabalho severo a que foram submetidas, sem que nenhum problema fosse detectado.

Visando a produtividade e a redução de custos que a metalurgia do pó propicia, a Höganäs agora está desenvolvendo um material para ser compactado em matriz rígida (compactação uniaxial) (Fig. 6) chamado Hipaloy, com características que permitem chegar a 7,5g/cm3 de densidade, correspondente a 95% de densificação do aço, com posterior cementação e tratamento térmico. Testes já estão sendo feitos em um Mitsubishi EVO 8 onde as engrenagens da 4ª marcha foram substituídas por estas engrenagens sinterizadas e, após 1.000km em pista de prova, não apresentaram qualquer desgaste ou dano.

Embora não seja aplicado no caso citado, a engrenagem com 95% de densificação pode ter sua superfície densificada através de um processo de rolagem. Ele consiste em pressionar a engrenagem sinterizada contra engrenagens-ferramenta, obtendo uma camada 100% densificada que pode chegar a 1mm de espessura.

Parceria Empresa-Universidade

O desenvolvimento de uma engrenagem sinterizada no Brasil foi motivado pelo trabalho de divulgação que o Grupo Setorial de Metalurgia do Pó [1] vem realizando nos últimos anos. Uma maneira eficaz de demonstrar o potencial da MP aos alunos de engenharia é a participação em projetos universitários, e o BAJA SAE do Centro Educacional da FEI (São Bernardo do Campo- SP) foi escolhido para este trabalho. Trata-se de um veículo monoposto off-road que as equipes projetam, constroem, e posteriormente submetem a provas estáticas, tais como relatório técnico e segurança, e dinâmicas tais como aceleração, velocidade, tração, dirigibilidade e enduro.

Após algumas reuniões com a equipe da FEI, decidimos pela fabricação do par de engrenagens de saída da caixa de transmissão (Fig. 8), tanto por ser um desafio para equipe como também um desenvolvimento de interesse das empresas participantes do Grupo Setorial.

A engrenagem feita com material convencional era fabricada em aço SAE 8620, cementado com camada de 0,2 a 0,3mm, com posterior tratamento térmico , resultando em uma dureza superficial de 52 a 55 HRC. O pinhão possui 19 dentes e a coroa 49 dentes, módulo 2,5mm. Esta peça possui um histórico de quebra a partir de 16 horas de uso, o que leva a equipe a trocá-la sempre que este número de horas é alcançado.

Para o projeto da engrenagem sinterizada foram feitas simulações por elementos finitos (FEA), com análises das tensões e deformações. Simulando a aplicação de uma força de 9700N chegou-se a uma deformação máxima de 0,1mm e uma tensão máxima de 356MPa (Fig. 9).

Material, Processo de Compactação e Sinterização

O material selecionado para a engrenagem foi o mesmo utilizado nos protótipos fabricados pela Höganäs AB na Suécia. O pó base foi o Astaloy 85Mo com adição de 0,25% de carbono e 0,1% de MnM, um aditivo proprietário da Höganäs que aumenta a usinabilidade do material. Tradicionalmente utiliza-se 0,5% de Sulfeto de Manganês (MnS) como aditivo, porém neste caso a escolha do MnM foi feita para que a densidade final do material chegasse a 100%.

Após a etapa de mistura, o material foi compactado pelo processo uniaxial em matriz rígida na forma de discos com dimensão aproximada de Ø120mm por 55mm e densidade verde de 7,25g/cm3 (Fig. 6). Os vários discos obtidos foram posteriormente sinterizados em forno contínuo de esteira, a 1.120°C por 45 minutos, em atmosfera N2 95% H2 5%.

Para a etapa de densificação final, foi utilizado o processo HIP (Hot Isostatic Pressing – Compactação Isostática a Quente) desenvolvido pela empresa americana Avure Technologies. Consiste de um vaso de pressão com Argônio pressurizado entre 100 e 2.000 bar, aquecido a uma temperatura de até 2.000°C (Fig. 4).

Os discos já sinterizados foram empilhados dentro de um recipiente cilíndrico de aço inox lacrado com solda. Este recipiente possui uma válvula de escape de ar necessária para que a compactação ocorra. O cilindro lacrado foi então colocado no equipamento e submetido a uma pressão de 1.000 bar, a 1.150°C.

Após o processo de HIP, os discos empilhados passaram a compor um tarugo único totalmente ligado metalurgicamente. O recipiente de inox também se uniu ao tarugo e por isto este passou por uma etapa de usinagem para retirada do material aderido. A densidade final atingida foi de 7,86g/cm3 , ou seja, 100% de densificação.

Usinagem da Engrenagem e Tratamento Térmico

O processo de usinagem da engrenagem consistiu das etapas mostradas na Fig. 10.

1. Corte do tarugo em discos;2. Usinagem 1: Dimensões principais, rebaixos e fresagem dos dentes;3. Usinagem 2: Alívios internos (6x);4. Tratamento térmico – Cementação, têmpera e revenimento;5. Erosão a fio do entalhe central.

Obs.: Não foi realizada a retífica final dos dentes pois essa etapa não era aplicada à engrenagem convencional

As especificações para o tratamento térmico foram fornecidas pela Höganäs, que definiu a espessura da camada entre 0,4 a 0,7mm, com dureza máxima entre 700 a 800 HV 0.1. A camada é definida até o ponto em que a dureza fica abaixo de 550 HV 0.1. Quanto à microestrutura do material, a superfície deve ser totalmente martesítica, com baixa ou nenhuma austenita retida (Fig. 11, 12 e 13A). A zona de transição (Fig. 13B) deve conter martensita com teores variáveis de carbono e o núcleo (Fig. 13C) deve ter baixos teores de carbono.

O tratamento térmico foi realizado na empresa Combustol e para que fosse encontrado o ciclo correto de tratamento térmico, foram realizados testes em corpos de prova Ø100 x 10mm antes que o tratamento na engrenagem sinterizada fosse feito. A Tabela 01 mostra os parâmetros utilizados e os resultados obtidos nos testes dos corpos de prova e nas engrenagens definitivas.

Resultados

A equipe realizou vários testes na pista de prova, dentre eles enduro, aceleração, manobrabilidade e tração, totalizando 14 horas de testes. Posteriormente o par de engrenagens foi utilizado no campeonato nacional.

O par de engrenagens passou então por um ensaio não destrutivo por partículas magnéticas, onde não foram detectadas trincas no material. Foi feita também uma análise visual da superfície dos dentes com o objetivo de se detectar evidências de fadiga de superfície (pitting), porém estas também não foram observadas (Fig. 14 e 15). É importante ressaltar que, por não ter passado por uma retífica final, a superfície dos dentes apresentava um aspecto rugoso mesmo antes do uso, resultado da operação de fresagem.

Quanto à estrutura metalúrgica, a análise metalográfica não foi realizada na peça por ser um procedimento destrutivo, porém será realizada posteriormente quando os testes forem encerrados. Os testes no veículo continuam a ser realizados com acompanhamento periódico do desgaste dos dentes e observação da formação de trincas por ensaios por partículas magnéticas e líquido penetrante.

A próxima etapa do desenvolvimento consistirá em fazer uma engrenagem mais leve e consequentemente um momento de inércia mais baixo, propiciando a este veículo de competição um melhor desempenho nas provas. Quanto à proposta de levar aos alunos o conhecimento sobre a Metalurgia do Pó, o objetivo foi atingido com sucesso. Hoje os alunos desta universidade conhecem a tecnologia e suas vantagens, e por ser uma equipe de destaque no Brasil, está mostrando para as equipes de outras universidades os avanços que a Metalurgia do Pó proporciona.

Referências

[1] GRUPO SETORIAL DE METALURGIA DO PÓ – www.metalurgiadopo.com.br;
[2] NARASIMHAN, K.S; Sintering of powder mixtures and the growth of ferrous powder metallurgy.Materials Chemistry and Physics, v.67, p.56-65, 2001;
[3] NARASIMHAN, K.S.; SEMEL, F.J. Sintering of powder premixes – a brief overview. In: ADVANCES IN POWDER METALLURGY & PARTICULATE MATERIALS, May 13-16, 2007, Denver. Proceedings. Princeton: Metal Powder Industries Federation, 2007, p.05/01-05/24;
[4] METAL POWDER INDUSTRIES FEDERATION (MPIF) – Powder Metallurgy Design Guidebook, Princeton-NJ,1974;
[5] EUROPEAN POWDER METALLURGY ASSOCIATION (EPMA)[6] AVURE TECHNOLOGIES, USA[7] BÖHLER Edelstahl GmbH & Co.KG.

Para mais informações, contate: Fernando Iervolino, Grupo Setorial de Metalurgia do Pó, fernando.iervolino@metalurgiadopo.com.br.

 

Fernando Lervolino
Fernando Lervolino
Engenheiro mecânico com MBA em Gestão Empresas pela FGV. Pwder Metallurgy Technologist pela MPIF (USA), coordenador e co-autor da obra "A Metalurgia do Pó" (2009), atuando com Metalurgia do Pó desde 1990 nas empresas Qualisinter, Metalpó Grupo Setorial de Metalurgia do Pó, Höganäs e BS Metalúrgica, nas áreas de P&D, projeto, automação e marketing

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