17 de julho de 2018
Desenvolvida pelo ORNL, nova família de ligas de alumínio suporta temperaturas mais altas sem a utilização de elementos de custo elevado

Por Marcio Ishikawa |

O Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL – Oak Ridge National Laboratory), do Departamento de Energia dos Estados Unidos, desenvolveu uma nova família de liga de alumínio-cobre-manganês-zircônio (liga ACMZ), que apresenta um grande potencial para melhorar a eficiência energética dos motores de combustão interna. Entre suas principais características, está o fato dela suportar temperaturas de até 300°C, cerca de 100° a mais do que as ligas atualmente disponíveis no mercado, sem ter suas propriedades alteradas.

liga ACMZ
foto: divulgação

Também chamada de 16HT, a nova liga ACMZ pode ajudar as fabricantes de automóveis a atingir as metas de economia de combustível estabelecidas pelo CAFE (Corporate Average Fuel Economy – Média Corporativa para Economia de Combustível), regulamentação que determina os limites de consumo de combustível dos veículos vendidos nos Estados Unidos. Para 2025, a meta estabelecida para veículos leves é de 54,5 milhas por galão (23,1 km/l).

Demandas
Atualmente, as ligas utilizadas na fabricação dos motores são a 319 e a 356 – a segunda possui melhor formabilidade e algumas vantagens térmicas – permitindo operação na casa dos 200°C. As mais recentes gerações de motores turboalimentados e de deslocamento volumétrico reduzido já vem trabalhando próximo dessa faixa de temperatura – mas as condições projetadas de funcionamento dos motores de combustão interna para atender a regulamentação de consumo, principalmente no cabeçote, onde acontece a explosão da mistura ar/combustível, demandam uma faixa mais elevada – situação em que tanto a 319 como a 356 perdem as suas propriedades.

Além de suportar temperaturas mais elevadas, o projeto da ORNL previa, como requisitos básicos, manter a leveza, ter durabilidade compatível com as ligas atuais e que também pudesse ser utilizada nos processos de manufaturas existentes. De acordo com os testes já realizados – que já incluiu uma avaliação de um cabeçote de motor turboalimentado produzido com a liga ACMZ em dinamômetro – todas essas demandas foram plenamente atendidas.

A liga ACMZ também permite estreitar as áreas de metal entre as válvulas, velas de ignição e o sistema de injeção direta de combustível no desenho do cabeçote. Uma vantagem adicional que, por exemplo, permite utilizar válvulas mais largas ou abrir espaço para uma segunda vela, dando mais flexibilidade entre performance e eficiência no balanço do motor.

Desenvolvimento
A liga ACMZ foi desenvolvida em apenas quatro anos – um período extremamente curto para uma liga complexa dessa natureza, segundo o ORNL. A partir da demanda estabelecida pelo DOE, um time multidisciplinar foi formado, composto por cientistas de materiais, metalurgia e computação, liderado por Amit Shyam. O projeto também teve a participação da Fiat Chrysler Automobiles (FCA) e da Nemak como parceiros comerciais.

“Nós tínhamos consciência de que seria complexo atingir nosso objetivo em quatro anos”, disse Allen Haynes, líder do Grupo de Processamento de Materiais e União da ORNL. Segundo ele, normalmente se leva de 10 a 20 anos para se desenvolver uma nova liga de composição complexa como a ACMZ.

A primeira providência foi a de revisitar a história, analisando e comparando as principais famílias de ligas já desenvolvidas. Nesse processo, então, chamou a atenção a liga RR350, evolução de uma aplicação aeronáutica da Segunda Guerra Mundial. “Ela se destacou rapidamente de todas as demais ligas porque tinha notáveis propriedades de resistência a elevadas temperaturas”, explicou Shyam. “Graças a estrutura que possuimos aqui no ORNL, conseguimos fazer uma aproximação completamente nova para entender um material já existente.”

A RR350, no entanto, tinha dois problemas. O primeiro era o seu elevado custo, devido à necessidade de adição de níquel e cobalto, materiais muito caros. Além disso, suas propriedades de fundição eram pouco animadoras. A partir desse momento, as modernas tecnologias fizeram toda a diferença. A RR350 foi analisada em escala atômica e os supercomputadores do ORNL realizaram os cálculos de energia da RR350, permitindo uma melhor compreensão de suas propriedades, principalmente de sua extraordinária estabilidade.

Cobre é a chave
A diferença mais notável da liga ACMZ e RR350 em relação a 319 e a 356 é a presença do cobre como componente fortalecedor, ao invés do silício.

As ligas com cobre não são comumente usadas na indústria automobilística devido à tendência de desenvolvimento de pequenas fissuras durante o processo de solidificação após a fundição – problema conhecido como “hot tear”.

Entendendo o que acontecia em nível atômico com a RR350, o trabalho foi voltado para a substituição dos elementos caros e em como tornar a liga mais moldável. Usando um processo de desenvolvimento preditivo conhecido como Engenharia de Material Computacional Integrado (Integrated Computational Material Engineering – ICME), foram criadas virtualmente 50 ligas inéditas de alumínio-cobre e feitas simulações do processo de fundição, analisando principalmente as questões relacionadas à solidificação e o “hot tear”. Em dois anos, a lista de ligas com potencial para atingir os requisitos do projeto foi reduzida para sete.

“Conseguimos entender o que se passa com a estrutura e estabilidade do material quando submetido à uma grande variação de temperatura e tensões”, revelou Shyam, explicando que, nesse processo, a equipe descobriu como deixar a liga mais maleável, além de substituir os elementos que eram muito caros.

De acordo com a previsão do ORNL, um cabeçote feito com a nova liga deve ter um custo menos de 10% superior àqueles feitos com as ligas 319 e 356. A solicitação de patente da nova família de ligas já foi aplicada e, como foi desenvolvida a partir de financiamento do governo, outras companhias além da FCA – , participante do projeto, poderão utilizar o novo material quando ele se tornar disponível comercialmente.

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