Ferro fundido vermicular de alta usinabilidade Ferro fundido vermicular de alta usinabilidade Ferro fundido vermicular de alta usinabilidade

       




Empresa de fundição de peças de ferro fundido, aço e suas ligas, a Tupy Fundições (SC) foi vencedora do prêmio Finep 2004 categoria Processo região Sul com um processo de produção e controle de blocos e cabeçotes em ferro fundido vermicular. Utilizados em motores de automóveis, os blocos e cabeçotes em ferro fundido aumentam o desempenho do motor, tornandoo mais leve, silencioso e menos poluente. O domínio do novo processo, que demandou nove anos de pesquisa, possibilitou à Tupy fechar com a Ford Motor Company o primeiro contrato mundial para fornecimento desses produtos em grande escala. Para atender ao contrato, a Tupy deverá ampliar a sua produção, atualmente em três mil peças/ mês, para 25 mil unidades em 2006. Os blocos serão utilizados no motor a diesel do carro Jaguar.

Há cerca de 10 anos a indústria automotiva vem se deparando, por um lado, com restrições crescentes impostas pela lei, que visam à redução da emissão de gases combustíveis. Por outro lado, há a demanda por maior desempenho dos motores, cada vez menores e silenciosos. Todos esses fatores têm orientado o desenvolvimento da tecnologia dos motores diesel, e foram responsável pelo advento do common rail (trilho único), sistema de injeção de combustível individualizado. Tal sistema permitiu elevadas pressões de injeção e pressões máximas de combustão, garantindo assim uma combustão mais eficiente e melhor desempenho do motor e redução de emissões, bem como operação mais silenciosa. Porém tal tecnologia exige uma maior solicitação mecânica do motor, resultando em falhas prematuras por fadiga, criando uma demanda por um metal capaz de substitui o ferro conzento e o alumínio, habitualmente usados na construção de blocos, mas não adequados às pressões mencionadas. O ferro fundido vermicular veio a suprir esta demanda por ser material de elevada resistência mecânica, o que permite a construção de blocos de motoro com paredes mais finas, o que significa blocos menores.

O material contudo nunca havia sido usado apra fabricação de peças grandes e em larga escala, face a dificuldade de obtençaõ da forma grafita vermicular, em condições industriais. Os desafios referiam-se á obtenção do metal líquido com composição química dentro de faixas muito estreitas (tecnologia SinterCast, adquirida pela Tupy), controles de processo intermediários sem interrupção do fluxo de distribuição do metal (novo sistema de vazamento projetado junto com o fornecedor do equipamento, a Mecana), projeto de canais e massalotes adequados á características do metal líquido (utilização de software de simulação de enchimento de molde e solidificação da magma, desenvolvimento de alimentadores pra blocos em V e para cabeçotes), controle da forma de grafita dos produtos obtidos (desenvolvimento de método de controle metalográfico com analisador automático de imagens, controle por ensaios não-destrutivos por frequência de ressonância e por ultra-som.

Wilson Guesser é Professor da UDESC desde 1977 e Engenheiro da Tupy Fundições desde 1977 com trabalhos publicados nas áreas de fundição de ferros fundidos ferro fundido vermicular; areias de moldagem e bentonitas; fragilização por hidrogênio de ferros fundidos e gestão da inovação na indústria. A Família Guesser (originalmente Gesser), originária de Hunsrück, Alemanha migrou para o Brasil em 1828, estabelecendo-se inicialmente em São Pedro de Alcântara. A Família teve seu nome alterado para uma parte de seus descendentes (de Gesser para Guesser), cresceu e se multiplicou, permaneceu principalmente em Santa Catarina.

A Tupy Fundições fechou um contrato para exportar blocos de motores para a Ford da Inglaterra. Até aí, nada de especial. Não é a primeira vez que a empresa brasileira fornece peças para montadoras no exterior. A novidade do negócio está no material utilizado nos blocos: chama-se CGI, ou ferro fundido vermicular.

O ferro CGI (Compacted Graphite Iron, em inglês) tem praticamente o dobro da resistência mecânica do ferro fundido cinzento, tradicionalmente usado em blocos de motor, e está se transformando, ao que tudo indica, na vedete das montadoras que produzem veículos movidos a diesel. Isso porque, com resistência maior, é possível fazer motores mais potentes do mesmo tamanho, ou então motores mais compactos com a mesma potência. Com a vantagem adicional de que proporcionam combustão mais eficiente e, portanto, são menos poluentes. Motores a diesel em geral poluem mais do que os a gasolina.

É essa última característica, aliás, que faz a fama do CGI. Com padrões rígidos e avançados para o controle da poluição atmosférica, alguns países da Europa querem automóveis ainda mais limpos. Nos motores a diesel, a pressão exercida pelos pistões é mais elevada, e havia-se chegado a um limite que os materiais tradicionalmente utilizados não conseguem ultrapassar. Para aumentar a pressão em blocos de alumínio, seria preciso aumentar a espessura das paredes, o que acabaria atrapalhando o sistema de resfriamento. Blocos feitos com ferro cinzento ficariam cada vez mais pesados para cumprir essa exigência.

'Estava-se chegando a um impasse, e o ferro vermicular é uma das soluções', afirma Wilson Luiz Guesser, chefe da divisão de Engenharia Metalúrgica da Tupy. 'Talvez essa seja a maior mudança das últimas décadas em blocos de motor', diz Luis Guedes, diretor da Unidade de Empreendimento Blocos e Cabeçotes. 'Existia uma tendência de fazê-los em alumínio, mas foi neutralizada com o CGI.'

A composição do ferro fundido vermicular é muito similar à do cinzento. A grande diferença está na presença de magnésio. No tradicional, o cinzento, não há magnésio, ou há quantidade muito pequena. No vermicular, o elemento químico tem de ser mantido em uma faixa bastante estreita, entre 0,010% e 0,012%. Se houver mais do que isso, o ferro deixa de ser vermicular e perde suas características. O ferro fundido nodular, que tem outras propriedades - é utilizado na fabricação de girabrequins, por exemplo - pode ter entre 0,035% e 0,060% de magnésio em sua composição.

A presença de magnésio na quantidade exata faz com que se formem, no ferro fundido, estrias grossas, ou 'vermes' de grafita - daí o nome vermicular. No ferro cinzento, a grafita aparece em forma de veios finos e, no nodular, como bolinhas ou nódulos. É isso que determina a resistência do material. No cinzento, o limite de resistência é de 250 MegaPascal (MPa); no vermicular, de 450 MPa; e no nodular, de 700 Mpa.

Com o domínio dessa tecnologia a Tupy se destacou ainda mais no mercado automotivo internacional com participação em sucessivas concorrências e ampliação de empregos na planta de Joinville em Santa Catarina e na planta de Mauá, São Paulo, que passou a fabricar blocos CGI a partir de 2008. As primeiras tentativas de produção de blocos de motores com este material apontaram para dificuldades que teriam de ser transpostas até a produção em larga escala. Na fundição, em função de problemas de microporisidades, na usinagem, devido a desgastes acentuados de ferramentas de corte. Foram então concebidas, desenvolvidas e testadas alternativas de composição química e de microestrutura que minimizaram os problemas citados, viabilizando economicamente os blocos. Wilson Guesser foi o coordenador da equipe deste projeto na Tupy Fundições. A Tupy foi a primeira fundição no mundo a se credenciar para fabricar blocos em larga escala, produção que já atinge 3 mil blocos ao mês e que deverá chegar a 25 mil blocos ao mês em 2006, apenas para atender ao primeiro contrato, ccom a Ford Motor Company.

O método é protegido pelas patentes PI0105987, PI0105988 e PI0105989. Atualmente são produzidos na Tupy Fundições 3 tipos de blocos de motores em ferro fundido vermicular: um bloco V6 e um bloco V8 para a Ford Europa, que os utiliza nos veículos Jaguar e Land Rover Discovery, e um bloco V6 para a Audi, na Alemanha, que o utiliza no Audi 6. Entre os contratos recentes encontram-se o firmado com a MAN Nutzfaherzeuge, um dos maiores fabricantes de caminhões, com sede na Alemanha. se considerados tão somente os dois contratos já firmados (Ford e Audi) e se esses forem projetados para a maturidade do processo de fornecimento, que deverá ocorrer em 2007, representarão um volume de produção de 22 mil toneladas ao ano, que deverão corresponder a um faturamento aproximado de R$ 172 milhões /ano, o que equivale em números projetados a 9% do faturamento da Tupy. Todo o porjeto foi financiado pela Tupy em nove anos de pesquisa, que envolveu a participação de diversas universidades: UFRGS, UFSC,Lactec (Paraná), UFSCAR, UNESP, IPT/SP além da Austrian Foundry Research Institute de Leoben na Áustria e o PTW Institut Fur Produktionsmagement de Darmstadt da Alemanha. O processo foi introduzido em escala industrial em outubro de 2003.

Novos blocos de motor em ferro fundido vermicular começam a ser projetados pela Tupy para atender a um contrato firmado no Brasil com a MWM International. Os blocos, de 6 cilindros, vão equipar motores diesel da International Truck and Engine Corporation, para aplicação em caminhões de grande porte a serem comercializados nos Estados Unidos e no Canadá, e serão fabricados pela planta da Tupy em Mauá (SP), a partir de 2008. A MWM International fará posteriormente a usinagem das peças, em sua fábrica localizada em São Paulo, e as enviará à nova fábrica da International que está sendo construída em Huntsville (Alabama - EUA), especialmente para a montagem desses novos motores diesel. Esses motores, da série MaxxForce, serão os primeiros, nos Estados Unidos, a utilizar blocos em ferro fundido vermicular. A estimativa da Tupy é de que o fornecimento chegue a 15 mil blocos ao ano, a partir de 2010. Este é o segundo contrato em ferro vermicular a ser atendido pela planta da Tupy em Mauá, que está direcionada à fabricação de blocos e cabeçotes de motores para veículos comerciais de grande porte. O primeiro foi firmado em 2006 com a MAN, fabricante alemã de caminhões, que está recebendo neste mês de julho os primeiros lotes regulares, após ter testado e aprovado as amostras. Na planta de Joinville (SC), a Tupy já fabrica regularmente blocos em ferro vermicular desde 2004, para clientes como a Ford Europa (que monta motores na Hungria e os fornece para marcas próprias como Jaguar e Land Rover, bem como para veículos da Peugeot), e a alemã Audi, que os utiliza nos modelos A6, A4 e Q7.

Uma vez que precisa ser mantido dentro dessa margen porcentual tão estreita, a rota para fabricação do ferro fundido vermicular é mais complicada do que a de seus correlatos. Era justamente aí que o processo emperrava. O ferro vermicular é conhecido há pelo menos duas décadas. A receita para fazê-lo podia ser seguida em laboratórios, mas nas fundições era difícil manter o magnésio no nível desejado. A matéria-prima dos fabricantes é sucata, cuja composição varia de lote a lote. Além disso, o magnésio se evapora durante a fundição, complicando ainda mais o processo. O ferro é fundido a cerca de 1.500ºC, e o ponto de evaporação do magnésio é mais baixo. Ele não é estável lá dentro', diz Guesser.

Foi só no começo da década de 90 que empresas especializadas em desenvolver tecnologias de ferro fundido passaram a pesquisar métodos para produzir o vermicular em escala industrial. Foram estimulados, segundo Guesser, justamente pela procura por um material mais resistente para produzir motores a diesel. Em linhas gerais, essas empresas acertaram uma forma para controlar a quantidade de magnésio durante o processo de fundição.

Na tecnologia usada pela Tupy, comprada da sueca SinterCast, é feita uma análise da composição do ferro durante a fundição. Com base nos dados colhidos, faz-se uma segunda injeção de magnésio, com um arame, de maneira precisa para se alcançar o nível desejado. Agora o trabalho de desenvolvimento está nas mãos de fundições como a Tupy, que precisam adequar o novo material às peças que produzem. Mesmo com o processo de fundição de ferro vermicular acertado, trabalha-se para ajustar na mesma medida outros passos do processo, como a usinagem, ou acabamento das peças, já que, mais resistentes, são também mais duras.

A história da TUPY segue de perto os passos da industrialização do Brasil e da cidade de Joinville, colonizada a partir da segunda metade do século XIX por imigrantes europeus, a maioria de origem germânica. Albano Schmidt, Hermann Metz e Arno Schwarz, que fundaram a TUPY em 9 de março de 1938, descendiam desses imigrantes. Albano era um homem de negócios e os sócios, pessoas que já se dedicavam a fabricar artefatos de ferro, utilizando conhecimentos rudimentares de fundição. Dez anos antes de a TUPY existir, Albano havia desafiado seus companheiros a “descobrir a fórmula do ferro fundido maleável”, utilizado na fabricação de conexões, então conhecidas no país apenas pela importação. Sem contar com recursos de laboratório ou de manuais que dessem algum indicativo de como chegar à fórmula dessa liga (originalmente descoberta em 1630, na Inglaterra), tudo era feito na base da tentativa Carregamento de conexões em barricas, para transporte marítimo e erro, até que em 1937 obteve-se a composição certa. No ano seguinte, nas mesmas instalações de uma antiga oficina existente no centro da cidade, as primeiras conexões com a marca TUPY começaram a ser fabricadas. Três anos depois, já recebiam o atestado de similaridade, o que significava serem semelhantes às estrangeiras.

Enquanto as conexões ganhavam mercado em todo o país e se tornavam líderes em vendas, Albano Schmidt planejava a construção do que viria a ser o parque industrial do Boa Vista, para onde a TUPY começou a se transferir em 1954. A mudança acabou dando início ao próprio bairro, hoje um dos mais populosos de Joinville, e a primeira unidade de fundição, com capacidade para três mil toneladas ao ano, logo transformou a TUPY na maior empresa do Estado de Santa Catarina. Albano Schmidt morreu em 1958 e a Presidência da empresa foi ocupada pelo filho Hans Dieter Schmidt, então com 26 anos, mas já visto pelo pai como sucessor natural. Homem de idéias arrojadas e visão empreendedora, Dieter criou em 1959 a Escola Técnica Tupy, com o objetivo de qualificar mão-de-obra para fazer frente aos desafios que, acreditava ele, a indústria automobilística traria. O primeiro contrato para produção de peças automotivas havia sido firmado em 1958: tambores de freio para a Volkswagen, recém-chegada ao Brasil.

Em 1963 a segunda unidade de fundição foi instalada, exclusivamente para produzir peças automotivas, e em 1972 foi criado o primeiro Centro de Pesquisa, em parceria com a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Em 1975 uma terceira frente materializava a vocação da empresa para atuar no setor automotivo. Dedicada à produção de blocos e cabeçotes de motor, esta unidade hoje responde por cerca de 50% dos negócios da empresa. A morte prematura de Dieter Schmidt, vítima de acidente aéreo em 1981, quando ocupava o cargo de Secretário de Estado da Indústria, e a diversificação excessiva do grupo empresarial, que além de negócios no setor metal-mecânico passou a atuar também nos setores químico e plástico, acabou levando a TUPY a quase fechar suas portas.

Iniciando em 1991 uma gestão profissionalizada, em 1995 a TUPY teve seu controle acionário entregue a um pool de fundos de pensão e bancos, solução de capital encontrada para fazer frente ao excessivo endividamento. Já então focada em seu core-business, fundição, a empresa concentrou todos os seus esforços para ampliar as exportações e consolidar-se no mercado externo como competidora global no segmento automotivo. Em 1998 adquiriu uma unidade de fundição em Mauá, no Estado de São Paulo, ao mesmo tempo em que modernizava e expandia o parque fabril de Joinville. Em pouco tempo dobrou a capacidade produtiva e hoje se posiciona entre as cinco maiores fundições do mundo.

Fonte:
http://www.finep.gov.br/premio/folhas_inovacao_premio_2004/sul_tela.pdf
http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/guesser/
http://wguesser.sites.uol.com.br/fg/familia_guesser.html
http://www.infomet.com.br/vista_noticias.php?id=10127
http://www.finep.gov.br/premio/fotos_premiacao_site/pages/c_premiacao_15_jpg.htm
http://www.tupy.com.br/portugues/empresa/historia.php
acesso em julho de 2005
http://www.tupy.com.br/portugues/imprensa/noticias.php?id_idioma=3&ntc_id=415
acesso em junho de 2008
Agradeço ao INPI/FINEP pelo envio de informações em junho de 2008 para composição desta página
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