Uso das ligas de alumínio de alta resistência em substituição dos aços de alta resistência

O objetivo da utilização das ligas de alumínio é criar peças mais leves e finas mantendo os critérios de segurança. Essa mudança de material nos possibilita a criação de veículos com maior eficiência energética e melhorando a absorção de impactos. O setor industrial do alumíniode uma forma geral promove um impacto de 186 bilhões de dólares na economia dos EUA, correspondendo a 1% do PIB. A demanda de alumínio na América do Norte, entre 2009 e 2014 cresceu aproximadamente 36%. A previsão é que, até 2025, as ligas de alumínio estejam mais presentes no setor automobilístico [1] [2].

A Ford F-150 vendida nos EUA, o primeiro veículo de grande volume a fazer uso intensivo do alumínio, é apontada como o grande marco do uso do alumínio na indústria automobilística, onde 95% da carroceria é utilizado ligas de alumínio de alta resistência, possibilitando uma redução de peso de aproximadamente 15% comparado com o mesmo modelo sem o emprego das ligas [3].

O desenvolvimento de novas ligas para atender as novas demandas do setor automotivo, fez que diversas empresas invistam no desenvolvimento tecnológico de materiais, promovendo novas ligas com propriedades mecânicas superiores as ligas atualmente conhecidas. Recentemente foi desenvolvido uma liga da série 3XXX, que oferece resistência ao escoamento de 310 MPa, resistência à tração de 365 MPa e uma segunda liga da série 6XXX com resistência ao escoamento superior a 500 MPa. Com estas propriedades mecânicas estas ligas se tornam uma excelente opção para utilização em peças onde se necessita de grande absorção de energia de impacto, aliando alta resistência e capacidade de deformação [4].

Ligas de alumínio

O Quadro abaixo mostra a classificação das ligas de alumínio.


Quadro 01- Principais elementos das ligas de Alumínio

As ligas de alumínio, vem ganhando significativo espaço no mercado, com diversas aplicações, sendo utilizadas em estruturas e em componentes no geral. As características que fazem estas ligas de alumínio se destacarem são: leveza, boa conformabilidade, elevada resistência mecânica e resistência a corrosão. Tornando as estruturas de alumínio vantajosas em relação às estruturas convencionais de aço em diversas situações [6].

A cidade de Curitiba tem utilizado alguns ônibus elétricos para testes da marca chinesa BYD. O diferencial é o uso intensivo de alumínio através de um novo sistema implementado pela empresa para a fabricação dos veículos, o que possibilitou uma redução de aproximadamente uma tonelada do peso do veículo. A implementação destes novos ônibus visa diminuir a contribuição do setor de transporte nas emissões de gases poluentes [7].

O alumínio possui uma densidade de aproximadamente de 1/3 da densidade do aço, aliado a uma alta resistência mecânica o torna uma solução onde se necessite redução de peso, resistência mecânica e resistência a corrosão [8].

O conjunto capô, portas, para-choques, para-lamas e painéis internos consistem em uma média de 30% do peso total do automóvel. Cerca de, 40% dos componentes da carroceria de um veículo são altamente relevantes para a rigidez do automóvel, mas estes componentes têm baixa influencia na resistência em impactos. Nestes componentes não pode ser realizado a redução de espessura das paredes, sob o risco de comprometer a rigidez do automóvel, entretanto, a substituição destes aços por ligas de alumínio garantiria a rigidez necessária e a redução de peso [9].

A estrutura body in white vem sendo empregada em diversas fabricas de automóveis, as utilizações de ligas de alumínio pela Jaguar Land Rover, correspondem a aproximadamente 80% do total de matéria prima utilizada para a fabricação de peças e componentes dos automóveis, o restante é composto por aços de ultra alta resistência e outras materiais [10].


Figura 01 - Peça de um modelo da Jaguar Land Rover, em liga de alumínio. Fonte: [9]

A utilização de ligas de alumínio em automóveis pode resultar em uma redução de peso de até 40% para os principais itens automotivos, em contraste com as 11% que podem ser alcançados com a utilização de aços de alta resistência. A substituição dos materiais não pode afetar a segurança e desempenho da estrutura. Em um modelo compacto do ano de 2006 as reduções de peso implementando mudança de matéria prima, pode chegar a aproximadamente 15% a 50% por componente, onde houve troca de material [11].


Figura 02 – Carroceria Audi A8 Body in White Fonte: [11]

A chapa das portas do Golf-V produzida com novas ligas da série 7XXX de alta resistência mecânica, com resistência de aproximadamente 600 Mpa. Essa troca de matéria prima resultou em uma redução de peso de 2,4 kg em comparação uma peça em aço, essa substituição proporcionou uma redução de aproximadamente 40%. O alumínio também é usado em outros locais, tais como: componentes de colisão da estrutura frontal, para-choques e nas rodas [9].


Figura 03- Componentes de colisão da estrutura frontal e dos para choques do golf-V Fonte: [9]

Pode se ver no Quadro 02 as propriedades mecânicas de algumas ligas de alumínio e no Quadro 03 propriedades mecânicas do aço de alta resistência DOCOL.


Quadro 02– Propriedades mecânicas de algumas ligas de alumínio da série 7XXX


Quadro 03 – Propriedades mecânicas do aço DOCOL

A utilização do alumínio pode agilizar o processo de manufatura devido a sua resistência a corrosão, reação química onde se forma um óxido naturalmente na superfície, o material quando exposto a ambientes muito agressivos pode apresentar corrosão localizadas [14].

O emprego destas ligas não se da somente na indústria automobilística, mas também na indústria aeronáutica. Onde a serie 7XXX é muito utilizada na parte estrutural de aeronaves. O setor de aviação está constantemente à procura de novos materiais para atender suas necessidades, tais como: aumento da relação resistência/peso, maior tenacidade, resistência a fadiga, maior desempenho, menor custo e resistência a corrosão, características fundamentais nos materiais empregados nas aeronaves e para a gestão de manutenção das aeronaves [15] [16].

Discussões

A seguir pode se visualizar a comparação do limite de resistência mecânica na Figura 04 e de resistência ao escoamento no Figura 05 do aço de alta resistência DOCOL, utilizado do setor da indústria automobilística e as ligas de alumínio da série 7XXX.


Figura 04 - Comparação do limite de resistência mecânica

As ligas da série 7XXX têm propriedades mecânicas muito próximas do aço DOCOL de alta resistência, empregado na indústria automobilística, agregando aos componentes onde utilizados, resistência à corrosão e redução de peso. Tornando uma alternativa viável em diversas utilizações de engenharia.


Figura 05 - Limite de resistência ao escoamento

A utilização destas ligas pelas indústrias além de todas a vantagens obtidas no produto final visa realizar uma produção mais limpa pelas montadoras, onde, os carros sejam ecologicamente corretos, garantindo a conservação do meio ambiente e concorrência dentro do setor. Facilitando a produção e a reciclagem dos veículos ao final do seu ciclo de vida [17].

A utilização de alumínio em automóveis híbridos e elétricos é de vital importância, devido à redução do peso, fator este que altera diretamente a autonomia dos automóveis, o que vinha sendo um problema, até o desenvolvimento das novas ligas de alta resistência de alumínio. 

Conclusão

As novas ligas de alumínio, proporcionam alta resistência, redução de peso e resistência a corrosão, garantindo as exigências de segurança. A redução de peso obtida com o seu emprego nos proporciona um ganho não somente na segurança por garantir frenagens mais eficientes, mas também ambiental, pertinente a maior autonomia dos automóveis. Para o setor de modelos híbridos e elétricos é de fundamental importância o desenvolvimento destas ligas de alumínio, pela redução de peso que pode ser obtida com a substituição de materiais, aumentando a autonomia que até então estava sendo a grande barreira de entrada destes modelos no mercado consumidor.


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Renan Ramalho: Engenheiro Mecânico, mestrando do programa de pós-graduação em minas, metalurgia e materiais - PPG3M, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. [email protected]

Camila Lisboa: Engenheira Mecânica, mestranda do programa de pós-graduação em minas, metalurgia e materiais - PPG3M, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. [email protected]

Evandro Fabrício: Engenheira Mecânica, mestre em engenharia, doutoranda do programa de pós-graduação em minas, metalurgia e materiais - PPG3M, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. [email protected]

Lírio Schaeffer: Engenheiro Mecânico, doutor em engenharia, professor titular, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. [email protected]

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