Têmpera de virabrequim: Aplicação em motores leves de combustão com emissão reduzida de CO2

Têmpera de virabrequim: Aplicação em motores leves de combustão com emissão reduzida de CO2

Fig.1 Aquecimento

Com o aumento do preço dos combustíveis e a busca global pela redução na emissão de CO<sub>2</sub>, criou se uma tendência ou necessidade na indústria de fabricação de motores, para se desenvolver motores mais leves, menores e ao mesmo tempo mais eficientes. Esta busca exige muito das propriedades dos materiais bem como das características mecânicas dos componentes dos motores, principalmente dos virabrequins

A têmpera, processo para se alcançar determinadas propriedades na superfície, é baseada em transformações metalúrgicas como consequência de tratamentos térmicos específicos para um material específico. Este processo de têmpera é dividido em 4 etapas:

1. Aquecimento

2. Espera

3. Resfriamento brusco / choque térmico

4. Alívio de tensões (revenimento), quando necessário.

A principal vantagem do tratamento térmico por indução é o fato de se conseguir aplicar uma elevada densidade de potência em uma determinada área por um curto período de tempo e com profundidade de aquecimento da superfície controlada (densidade de potência típica: 500 a 2000 Watts / cm²).

A formação da camada temperada denominada martensítica aparece tão logo finalizada a primeira etapa ou o aquecimento. Para este fim a austenita na área temperada deverá ser precisamente resfriada. O resultado deste processo é o visível aumento da dureza da superfície do material em relação ao seu estado inicial.

Baseado na estrutura dinâmica e na taxa de resfriamento necessária, a formação de martensita é um processo extremamente exigente, que, em ordem de ser realmente confiável, requer altos níveis de medições e processos bem como profundo conhecimento (“know how”) de engenharia metalúrgica.

Dependendo da aplicação, poderão ser utilizados fluídos compressíveis e não compressíveis como meio de têmpera e/ou resfriamento sendo geralmente utilizados água, gases, óleos e etc. sendo os mesmos distintos devido à diferença de resultado após o resfriamento da parte temperada. Se o resfriamento for muito lento o resultado é o aparecimento de uma estrutura final bainitica; enquanto que se for muito rápido poderemos notar o aparecimento de distorções e até a formação de trincas, sendo, portanto, uma questão de se encontrar o equilíbrio entre a dureza final desejada, a qualidade da estrutura e da condição do componente da peça após o endurecimento.

A formação da martensita, estrutura metaestável supersaturada com carbono, resulta em sensível aumento da dureza/força quanto maior o teor de carbono. No entanto, ao mesmo tempo experimentaremos aumento da fragilidade e das tensões mecânicas. Para se minimizar este efeito, muitas vezes é necessário o revenimento da peça imediatamente após o processo de têmpera, trazendo assim a estrutura a um nível desejado conforme especificação do projeto. Este tratamento térmico geralmente ocorre à temperaturas entre 180° a 300°C. De fato, esta etapa é acompanhada por uma queda na dureza, aumentando-se consideravelmente a resistência à fadiga de flexão ou maleabilidade de material.

Existem vários conceitos de máquinas e equipamentos disponíveis no mercado para a têmpera de virabrequins.

Critérios importantes para a concepção de uma máquina são os seguintes:

– Geometria do virabrequim;
– Especificações de durezas;
– Recozimento;
– Tempo de ciclo;
– Programa de produção;
– Logística.

O processo de têmpera requer, portanto, a integração perfeita entre os movimentos mecânicos, monitoramento e controle, fornecimento da energia elétrica para o aquecimento por indução, e o resfriamento através do fluido indicado. Isto significa que estes equipamentos são de complexidades variadas.

Uma característica importante nas plantas e linhas de têmpera de virabrequins – é o circuito de oscilação em paralelo (inversor) utilizado como fonte de energia para gerar o campo magnético ou indução necessária. A vantagem do circuito paralelo oscilante é o sistema de controle do processo ser independente da voltagem de saída do conversor. Isto evita o superaquecimento do material no momento em que a dureza requerida for atingida, prevenindo até mesmo a fusão do material nesta área superficial.

Uma condição essencial para qualquer tipo de máquina é a reprodutibilidade dos resultados e a disponibilidade dos equipamentos.

Exigências impostas aos usuários são facilmente preenchidas pelos muitos anos de experiência da SMS-Elotherm na tecnologia de indução, especialmente:

– “Know how” para o domínio de altas correntes;
– Parâmetros constantes de funcionamento durante a operação;
– Estabilidade em longo prazo dos componentes indutivos;
– Alta resistência ao desgaste e resistência à alta carga de solicitação e utilização dos equipamentos;
– Energia induzida na peça, monitorada através de processo patenteado;
– Opção de controle de ângulo de disparo ou “power pulsing”.

Com a mudança na micro-estrutura, dependendo do material, o processo de indução gera um crescimento em volume. Esta é uma reação indesejável causada pelas tensões geradas o que acarreta muitas vezes na distorção ou empenamento do virabrequim. O tipo de expansão tem várias causas que são principalmente devido à distribuição desigual de massa ao longo do eixo da peça. Nos casos em que somente as superfícies das extremidades são temperadas o empenamento é inexpressível e teremos expansão axial da peça que poderá ser compensada pelo pré-cálculo das faixas de tolerâncias.

No caso da têmpera dos raios além da expansão axial, o virabrequim também é pressionado pelas partes laterais, o que torna o processo mais difícil. Devido à estrutura do eixo, aquecendo-se o raio de um mancal, principal ou externo, este acarretará a distorção dos mancais ou moentes vizinhos. Esta distorção somente poderá ser minimizada com uma sequência de tempera específica.

Entretanto, as tensões de pressão próximas à superfície causadas pela têmpera não é o único motivo das distorções sofridas pelo virabrequim.

O virabrequim traz consigo também tensões internas próprias causadas em sua fabricação. As tensões internas ocorrem tanto em virabrequins fundidos como nos forjados. Estas tensões são parcialmente liberadas pelo aquecimento durante o processo da têmpera.

A consequência é que tais distorções indesejadas podem aparecer no produto final. Hoje em dia os fabricantes de virabrequins estão exigindo para o controle e prevenção de distorções o sistema de controle. Para isto é necessário se adequar aos processos para que o comportamento constante das peças seja garantido.

A geometria do virabrequim também poderá provocar uma maior ou menor distorção durante o processo. As principais variáveis que influenciam, portanto, serão: a orientação espacial dos mancais, curso do eixo principal e finalmente a espessura das placas laterais.

A zona de dureza necessária também se torna uma variável importante na influência ao surgimento de distorções indesejadas, em especial a profundidade da camada de endurecimento, especialmente no raio e na altura da mesma nos flanges laterais.

Distorção mínima na têmpera por indução

Com a adequada sequência de têmpera e um correto sistema de controle da potência aplicada os problemas de empenamento ou distorções indesejáveis poderão ser solucionados. O processo patenteado pela SMS-Elotherm tem provado na prática que os resultados desejados são obtidos, apesar de uma grande variedade de modelos e formas de virabrequins.

Sequência de têmpera: o termo “sequência de têmpera” é entendido como a sequência ao longo do tempo da têmpera de uma única posição ou de um grupo de posições. Tendo-se analisado as especificações de dureza, propriedades dos materiais envolvidos, expansão e as dependências geométricas, a sequência das operações de têmpera é apurada e verificada na peça final.

Sistema de controle de potência

O sistema de controle de potência é reagido também no processo de têmpera, quando há, por exemplo, diferente distribuição da massa no perímetro de um mancal. A posição angular da peça é registrada continuamente durante o processo. Mediante a programação da potência de aquecimento em função do ângulo na faixa de ângulo pré-definido, é possível se controlar o comportamento do alargamento oval. Para os mancais de curso o ajuste da potência é utilizado na prevenção do superaquecimento na área superior do “ponto morto”; no caso dos mancais internos / centrais este controle é indicado para se evitar, por exemplo, a distorção e empenamento.

Simulação da distorção

Para os usuários e para os fabricantes das máquinas, a utilização da sequência de têmpera e o controle acurado da potência aplicada são fundamentais. Isto exige uma profunda experiência tanto nos materiais como da própria peça, combinada com ampla experiência nos processos abrangentes.

Atualmente os sistemas digitais de cálculos de distorção oferecem um excelente suporte, especialmente para peças com características complexas. A direção da distorção é determinada com base numa simulação 3D e a adequada sequência de têmpera e a necessária potência são, então, escolhidas.

Mandril para Fixação: É possível se obter uma redução considerável na distorção através do desenvolvimento de dispositivos de fixação nas máquinas de têmpera por indução, em específico, os mandris: desenvolvidos pela engenharia da SMS-Elotherm estes mandris possibilitam a expansão longitudinal do virabrequim. Um dos mandris proporciona o movimento rotativo enquanto que o outro monitora esta rotação e proporciona a fixação e o suporte flutuante da peça. Isto significa que nenhuma força axial afeta o virabrequim minimizando-se a possibilidade do aparecimento de distorções.

Conclusão

O processo citado para a têmpera de virabrequins com distorção mínima apresenta claras vantagens em se comparado aos processos convencionais. Estes processos reduzem significativamente as distorções durante o processo de têmpera, de modo a se reduzir os demais processos subsequentes à linha de produção e os altos custos associados ao ferramental.

Em resumo, menor tempo de processo é necessário e a eficiência da produção é aumentada.

Para mais informações: Contate J. Machado Jr. pelo tel.: (11) 4191-8181 ou email: j.machado@sms-elotherm.com.br

 

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *