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Aplicação do alumínio no setor
automobilístico: sustentabilidde e
eficiência energética
Encontro PDImat de João Pessoa – Outubro de 2018 – UFPB
Preparado por : Ayrton Filleti
Associação Brasileira do Aluminio
João Pessoa (PB) – Outubro/2018
Ayrton Filleti
• Engenheiro Metalurgista pela Escola Politécnica da USP,
• Curso de especialização em alumínio pela Escola Politécnica da USP,
• Mais de 45 anos de experiência na indústria do alumínio,
• Presidente Emérito, Diretor Técnico e Coordenador do Comitê de Tecnologia e Normalização da ABAL,
• Gestor do Comitê Brasileiro de Normas Técnicas do Alumínio ABNT/CB-035,
• Membro do Conselho Técnico da ABNT,
• Membro do Conselho de Administração da ABMbrasil
Conteúdo
• Introdução
• Características/ propriedades do alumínio
• Contextualização
• Evolução e inovação na Indústria do Alumínio
• Aplicações do alumínio na Indústria Automotiva
• E o Brasil?
• Comentários finais
Introdução
15/05/1970 33
associadas
Fundação
PROMOVER O
ALUMÍNIO E DISSEMINAR
CONHECIMENTO
INCENTIVAR
NOVAS
APLICAÇÕES
PROMOVER A
COMPETITIVIDADE
DA INDÚSTRIA
PROMOVER PADRÕES DE
SAÚDE, SEGURANÇA E
MEIO AMBIENTE
PUBLICAR
ESTATÍSTICAS DA
INDÚSTRIA
ELABORAR E
DIVULGAR NORMAS
TÉCNICAS
REPRESENTAR A
INDÚSTRIA EM TODOS
OS NÍVEIS DO GOVERNO
Objetivos
53,3
22,8
13,811,0
1,7 0,6 0,4
0
15
30
45
60
Alumínio Cobre Zinco Chumbo Níquel Magnésio* Estanho
Aço : 1,7 bilhão de toneladas
milh
ões
de
to
nel
adas
50,3 kt
Al 130 anos
Cu, Pb, Sn milhares de anos
Fontes: World Metal Statistics – March/2015 e para o aço: site - World Steel Association – 2015 (*) – estimativa Metal Pages – relativo a ano de 2009
9
Consumo de metais
Produção mundial de metais
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
0
10
20
30
40
50
60
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Zn Pb
Ni
Cu
Fontes: World Metal Statistics e Worldsteel Association
Aço
Al
Crescimento médio anual no período
Alumínio 4,8% Níquel 2,7% Chumbo 3,1% Cobre 2,9% Aço 2,1%
Zinco 1,6%
(milh
ões
de
ton
elad
as) (b
ilhõ
es de to
nelad
as)
Composição 2016 2017
Empregos: - Diretos 119.178 114.967
- Indiretos 323.554 299.910
Faturamento (US$ bilhões) 18,2 20,5
Produção de alumínio primário (mil t) 790 802
Consumo doméstico (mil t) 1.205 1.263
Consumo per capita (kg/hab/ano) 5,8 6,1
Balança comercial (US$ bilhões) - Saldo: 2.238 2.525
- Exportações 3.577 3.958
- Importações 1.339 1.433
Fonte: ABAL, Anuário Estatístico, 2017
Indústria brasileira do alumínio
Consumo per capita (2016)
kg/
hab
itan
te
Fonte: Anuário Estatístico ABAL 2017
Indústria do alumínio – O Brasil no mundo
Brasil Argentina
Média ~ 29 Kg/hab
kg
Bauxita
5 kg
(minério – 50% Al2O3) Alumina
2 kg Alumínio primário
1 kg O metal obtido tem pureza “comercial” de 99,9% a 99,7%
Principais impurezas: Fe e Si (0,15% a 0,30%)
Outras impurezas em menor teor: Zn, Mg, Mn e Ti
13
Produção do alumínio primário
Consumo energético na indústria do alumínio Intensidade do consumo energético (GJ/ton)
Fonte: ABAL, Alumínio brasileiro: soluções para uma vida sustentável, 2017
14,5 kWh/kg
Características do alumínio
Leveza
Seu baixo peso específico (densidade) em relação a outros materiais
faz do alumínio uma excelente solução em diversos segmentos
industriais.
Dois terços mais leve que o aço, o alumínio representa para o setor de
transportes, por exemplo, menor desgaste, maior capacidade de carga,
menor consumo de combustível e redução de emissões poluentes, uma
exigência das futuras gerações para a proteção do meio ambiente.
Peso específico:
Alumínio - 2,70 g/ cm3
Aço - 7,86 g/ cm3
Cobre - 8,96 g/ cm3
Magnésio - 1,7 g/ cm3
Características do alumínio
Resistência mecânica
Características do alumínio
Ductilidade/Maleabilidade
Características do alumínio
Condutividades elétrica e térmica
Características do alumínio
Material Condutividade térmica (W/m°C)
Prata 426
Cobre 398
Alumínio 237
Tungsténio 178
Ferro 80,3
Vidro 0,72 - 0,86
Água 0,61
Tijolo 0,4 - 0,8
Madeira (pinho) 0,11 - 0,14
Fibra de vidro 0,046
Espuma de poliestireno 0,033
Ar 0,026
Características do alumínio
Formação natural de camada de Al2O3 conferindo excelente
resistência à corrosão. Ideal para aplicações marítimas.
Resistência à corrosão
Características do alumínio
Alta absorção de energia de impacto
Não produz faíscas
Características do alumínio
Refletividade
Características do alumínio
- O alumínio pode ser reciclado infinitas vezes sem perder suas
características físico-químicas. Utensílios domésticos, latas de bebida,
esquadrias, autopeças, entre outros, podem ser reciclados e empregados
na fabricação de novos produtos.
- Além de economizar recursos naturais e energia elétrica (95% da energia
utilizada para produzir alumínio primário), a reciclagem oferece ganhos
sociais e econômicos.
• Todas as embalagens contendo alumínio são recicláveis,
mesmo as compostas com outros materiais;
• Pelo décimo primeiro ano consecutivo, o Brasil é líder
mundial de reciclagem de latas de alumínio;
24
Reciclabilidade
Características do alumínio
bauxita alumina lingote de Al
Obtenção de alumínio primário
1 ton + 14.500 kWh Reciclagem
sucata 1 ton + 725 kWh
Trefilação
Laminação
Extrusão
Estampagem Forjamento
Versatilidade
Características do alumínio
Fundição
Pintura
Soldagem Anodização
Corte
Versatilidade
Características do alumínio
Contextualização
• Meio Ambiente – emissões
NOx, CO, material particulado;
• Mudança do clima – gases estufa
CO2;
• Consumidores optando por
tamanhos, economia de combustível,
segurança e conforto.
“Durante o século XX, os veículos mudaram a sociedade...
no século XXI a sociedade mudará os veículos”
Evolução dos automóveis
1350 kg
900 kg
Peso dos veículos
Fonte: International Energy Agency – IEA, 2012
Geração de CO2
• Consumo de combustível
– km/ l
• Emissões de CO2
– g de CO2/ km
Unidades padrão
• Combustão - completa
– Gasolina C8H18 + O2 + N2 = CO2 + H2O + N2
– Etanol
C2H6O + O2 + N2 = CO2 + H2O + N2
• Combustão incompleta - Geração de gases poluentes
• CO • SO2
• NOx
• C (fuligem)
• Poder calorífico (kcal/ kg) – gasolina 9.600 - etanol 6100
Emissões veiculares
Gases de efeito estufa
• CO2 - Dióxido de Carbono
• N2O - Óxido nitroso
• CH4 - Metano
• CFCs – Clorofluorcarbonetos
• HFCs - Hidrofluorcarbonetos
• PFCs - Perfluorcarbonetos
• SF6 - Hexafluoreto de enxofre
400
300
240
200171
150133 125
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
6 8 10 12 14 16 18 19
Consumo de combustível km/litro
CO2 g/ km
Emissões de CO2 x Consumo de
combustível
Legislações em Aprovação
UE EUA Japão
Ano de vigência 2012/2015 2001
progressiva 2015
Valores 130g CO2/km
90g CO2/km (2020)
13,6 km/l (2015)
25,0 km/l (2025) 16,8 km/l
Penalidades multas multas a definir
Fonte: Ducker Worldwide, 2014
• Brasil – Novo Regime Automotivo, Inovar-Auto
– Emissão de CO2 = 135 g/ km (2017)
– Consumo = 17,23 km/l
– A partir de Fevereiro de 2017
– Esse novo regime está terminado e os resultados não
foram os esperados
• Rota 2030
– Nova legislação ainda não aprovada, em discussão
entre MDIC e Ministério da Fazenda
Legislação - Brasil
Visão Europeia Times Magazine - UK (July 2008)
• Pesquisa feita por Ducker Inc. junto aos especialistas de
montadoras americanas, apontou os seguintes itens como
importantes na redução de emissões veiculares:
– Tecnologia de motores (tamanho, turbo, injeçao direta)
– Diminuição de massa dos carros
– Carros híbridos
– Atrito das rodas
– Aerodinâmica
• Outras alternativas
– Downsizing
– Carros elétricos
Redução de emissões de CO2
Carros elétricos e híbridos
Fonte: Ducker Corporation
Source: Volkswagen AG
aerodynamic
Resistance to
acceleration
resistance to
movement
Resistance to the slope
Fator massa do veículo
VINCOS: "cortes" e "traços" na carroceria ajudam na economia de combustível
Os vincos que você vê em boa parte dos carros mais recentes (especialmente nos
médios e médios-grandes) não são apenas caprichos dos designers. Eles servem
para facilitar o caminho do ar ao longo da carroceria, jogando-o para trás do carro.
Assim fica mais fácil vencer a resistência do ar, algo fundamental para a economia de
combustível. Além disso, eles contribuem para uma menor vibração da lataria.
Aerodinâmica
Diminuir o peso estrutural dos veículos, ou
manter seu peso em razão dos adicionais
recursos tecnológicos, é um desafio
constante da Indústria Automotiva e de
Transportes
Uso de materiais de baixa densidade
Redução de emissões
Aço de alta resistência Titânio Alumínio
Magnésio Plástico Compósitos
Materiais de escolha das automobilísticas
Uso de materiais mais leves
Eficiência e Sustentabilidade
Cada 10% de redução de peso nos
automóveis representa um aumento de 5
a 10% em eficiência de combustível
Cada 1 kg de redução de peso diminuirá
20 kg de emissão de CO2 (gás de efeito
estufa), durante a vida útil do veiculo
(~160.000 km)
Fontes: Aluminum Association, 2012 e International Aluminum Institute, 2008
Benefícios da redução de peso
Evolução e inovações na
Indústria do Alumínio
• Um dos primeiros veículos utilizando alumínio
• Painéis em peças de alumínio fundidas
1904 – Modêlo “Great Arrow” - USA
Primórdios
• Fundição de peças
– ligas compatíveis vis a vis ferro fundido
• Laminação - chapas de alumínio
– Resistência mecânica compatível
– Estampabilidade similar ao aço carbono
– Tratamento térmico adaptado ao processo
– Chapas multiligas
• Extrusão
– Formas/ geometrias adequadas
– Tecnologia de ferramental
• Forjamento
• Processos de união
Evolução da indústria do Alumínio
• Fundição
– Desenvolvimento de ligas para substituir o ferro fundido
• Compatível com as características químicas da reciclagem de sucata
– Todos processos de fundição são aplicáveis
– Destaque para a fundição semissólida, para aplicações de alta responsabilidade de resistência mecânica, em substituição ao aço
– Cerca de 70% do alumínio utilizado na indústria automobilística correspondem a peças fundidas (EUA e Europa)
– Futuro – peças obtidas por “additive manufacturer”
Evolução da indústria do Alumínio
Bloco de motor
Veículo: Carro compacto | 1250 kg | gasolina | ~13,3 Km/litro
Componente: Bloco de motor | em alumínio: 16,4 kg
| em ferro fundido: 31 kg
Diferença de massa: 14,6 kg
Redução de massa indireta: 3,4 kg
Redução efetiva de peso: 18 kg
Redução de emissões:
150 kg de CO2 após 100 mil Km rodados
Fonte: International Aluminium Institute (IAI), 2007
Ferro fundido Alumínio
Peça fundida – Processo convencional
• Desenvolvimento de ligas com características muito próximas aos aços
– Endurecíveis por encruamento e ou tratamento térmico
– Composição química
– Propriedades mecânicas
L. Resistencia L. Escoamento Módulo de elasticidade
295 MPa 275 MPa 70 GPa
chemical composition ( wt % )
alloy Si Fe Cu Mn Mg Cr
5754 0.40 0.40 0.10 0.50 2.6 - 3.6 0.30
5182 0.20 0.35 0.15 0.20 - 0.50 4.0 - 5.0 0.10
6111 0.6 - 1.1 0.40 0.50 - 0,9 0.10 - 0.45 0.50 - 1.0 0.10
6016 1.0 - 1.5 0.50 0.20 0.20 0.25 - 0.6 0.10
Laminação - Chapas
YS = limite de escoamento t = espessura
Na média, considerando as propriedades mecânicas do aço carbono e das ligas de
alumínio (ligas 6XXX e 5XXX), a redução de peso é da ordem de 50%
YS alu t alu2 ≥ YS steel t steel
2
t alu ≥ t steel
YS alu
YS steel
Cálculo da espessura da chapa de alumínio
• Tratamento térmico – ligas 6XXX – Após aquecimento a 500 – 5500C, resfriamento em água
• propriedades mecânicas diminuídas (diferente do aço)
• Nesse estágio de propriedades mecânicas e fornecido às montadoras
– Tratamento térmico de endurecimento é feito a temperaturas da ordem de 1700C
• Importante aumento das propriedades mecânicas
• Essa temperatura é praticamente igual à temperatura da estufa da linha de pintura das montadoras
Chapas para fechamento
Tratamento térmico – série 6XXX
Tratamento térmico
Tratamento térmico
• Chapas estampadas – suprida às montadoras com características de alta ductilidade
• Após pintura e secagem na estufa, incremento nas propriedades mecânicas (importante endurecimento da chapa)
Chapas para fechamento
Partes obtidas de chapas de alumínio laminadas
Chapas de fechamento carrocerias
• Processo de transformação mecânica “exclusivo” pra o alumínio
• Ferramentas - “coração” do processo
• Notáveis avanços na fabricação do ferramental
• Propriedades mecânicas definidas durante o processo de transformação mecânica
• Ligas desenvolvidas destinadas à aplicação em transportes – Série 6XXX – AlMgSi
– Série 7XXX – AlZnMgCu
• Peças “incríveis” sendo fabricadas para indústria automotiva
Extrusão
Tarugo de alumínio
Ferramenta pistão
perfil
Temperatura tarugo = 5200C
Extrusão
Mercedes SL
door sill piso
Extrusão
Braço de suspensão – VW/ Audi
Peça forjada - Liga 6082 T6
30% + leve que em aço
Braço de suspensão
Peça extrudada - Liga 6082 T6
Fonte: The Aluminium Automotive Manual, EAA
Extrusão e Forjamento
• Todos os processos convencionais são aplicáveis
– MIG (Metal Inert Gas)
– TIG (Tungsten Inert Gas)
– Brasagem
– Solda a laser
– Solda a ponto
– Friction stir welding
– Rebitagem
e
colagem (utilização de adesivos)
Processos de união
Aplicações do alumínio na
Industria Automotiva
Consumo de Alumínio por segmento - 2016
65
%
Fonte: Anuário Estatístico 2017, ABAL
Principais Aplicações do Alumínio
Evolução consumo de Al em veiculos
38
5563
75
50
96
75
117
99
139
118
154
134
176
148
212
165
236
187
0
50
100
150
200
250
1975 85 95 5 15 2025
EUA + Can
Europa
Kg/ veículo
Fonte: Ducker Report 2017
Fundidos Laminados
Extrudados Forjados
180 kg 211 kg
2015
Fonte: Ducker Worldwide, 2017
Participação dos produtos de alumínio –
América do Norte
2020
Evolução
Motor
Suspensão Transmissão
Peças estruturais
Fonte: Honsel/ Magal
Aplicações de fundidos em Al
Blocos de motor
Liga: SF 36, GD-AlSi9MgMn
Dimensões: 933 x 560 x 217 mm / 906 x 723 x 198 mm
Peso: 9.5 kg / 10.5 kg
Rp0.2: 140 - 170 N/mm²
Rm: > 200 N/mm²
Alongamento A5: > 8 %
Tratamento térmico:T 7
Rp0.2: 135 - 165 N/mm²
Rm: > 200 N/mm²
Alongamento A5: > 6.5 %
Tratamento térmico: T 2
Suspensão de motores
• Estudo realizado pela Universidade de Aachen
(2010)
– Carroceria do carro analisada em detalhes para
selecionar o material mais adequado para cada
parte
– Importante análise de resistência mecânica x
rigidez
Uso em carrocerias
Fontes: ika - University of Aachen; EAA - European Aluminium Association
Carroceria - Pesquisa
Steel Aluminium
Components
Fontes: ika - University of Aachen; EAA - European Aluminium Association
Potencial de redução de peso
Carroceria
• Resumo do estudo
– A “melhor” estrutura usando alumínio reduz 40% o peso da carroceria (239 kg), sem comprometer os critérios de segurança;
– A “melhor” estrutura usando aço de alta resistência reduz somente 11% do peso da carroceria
Carroceria - Pesquisa
Fonte: Ducker Analyisis
Tendências de utilização
(Projeto 2009)
Audi A8
Projeto Audi – A8
Oportunidades
Portas - automóveis
Aplicações
Teto do Land Rover - 2012
Carroceria
• Veiculo mais vendido nos
Estados Unidos nos
últimos 37 anos
• Em 2013 – vendidos 750
mil unidades
• Novo modelo será lançado
em Outubro de 2014
• Liga de alumínio super
resistente
• Toda cabine e caçamba
em alumínio – 455 kg
• 320 kg mais leve que os
modelos anteriores
Ford pick-up F-150
Ford pick-up F-150
Preço ao consumidor
Modelo 2015 custa apenas $395 acima da versão 2014,
incluindo diversos novos equipamentos e tecnologias.
Lançamento de novo design sempre implica em aumento de
preço
Fonte: Ford Motor Company │Disponível em: www.drivealuminum.org (ago/2016)
Ford pick-up F-150
E o Brasil?
Indústria Brasileira do Alumínio - Consumo
por segmento em 2016
Total = 1.263 mil
toneladas de alumínio
(2017)
85
Consumo
Fonte: ABAL, Anuário Estatístico, 2016
Uso de alumínio – automóveis e veículos
leves no Brasil
ano
Consumo de fundidos
*Mil toneladas
Fonte: Anuário Estatístico 2017, ABAL
América do Sul
Consumo de alumínio em veículos
Cenário atual - Brasil
time
Evolução – Brasil
89
South America Engine Block
demand (M Units)
2005 2000
3,0
2015
3%
4%
2010 2018
3,8
2020 2025
100% 1,9 2,6 3,6 2,4 2,9
Al Fe
Source: Nemak Brazil; October, 2018
Blocos de motor participação do
alumínio
Defletor de calor
Aplicação de chapas
Brasil
EUA
Representação da aplicação do alumínio
na Industria Automotiva - estimativa
Maturidade – uso do alumínio
• A Indústria Automotiva no Brasil ainda não estava totalmente conscientizada da importância da redução das emissões ???
• O Inovar-Auto, programa do MDIC lançado ha 5 anos, estabelece aumento da eficiência energética dos veículos, e como consequência atingimento de níveis de emissões de 135 g CO2/ km (semelhante à europeias), com vigência em 2017.
– Lamentavelmente, de acordo com pesquisas, somente 03 montadoras conseguirão atingir essa meta
Conscientização
Comentários finais
• Após os metais ferrosos, o alumínio é o material mais importante para a indústria automotiva;
• O alumínio apresenta maior potencial de redução de peso em relação ao aço de alta resistência, garantindo segurança veicular semelhante ou superior;
• Redução de peso garante redução de consumo de combustível e de emissões poluentes (gases de efeito estufa);
• A utilização de ligas de alumínio compatíveis aos esforços, permitirá uma redução de peso, em média, de 40% - 50 % em relação à mesma peça em material ferroso.
Comentários finais
O uso de alumínio em veículos montados no Brasil deveria crescer, pelo forte apelo da sustentabilidade, que migrará dos países desenvolvidos para os emergentes, aliada ao processo de globalização dos veículos, e para atender os limites de emissões e eficiência energética preconizados pelo Inovar-Auto, no entanto esse programa não apresentou os resultados esperados;
O crescimento no Brasil se dará principalmente no setor de fundidos, o que já vem ocorrendo nos novos modelos de algumas montadoras.
Comentários finais
Comentários finais
A Industria Automotiva ainda não aplica o alumínio em
peças oriundas de produtos laminados e extrudados.
Não há demanda suficiente ainda para encorajar as
produtoras de alumínio no Brasil a se equiparem,
principalmente em produtos laminados.
Por outro lado nos EUA e UE, em razão da crescente
demanda de laminados, as grandes laminadoras estão
investindo fortemente no aumento da capacidade de
produtos laminados.
Em tempos ruins, não desanimem …sejam criativos
CURSOS
Outubro
04 e 05 A Importância do controle de processo para aumento da eficiência na
extrusão de alumínio
24 e 25 Otimização da operação de Fornos de Reverbero – rendimento metálico e
minimização de consumo de energia
15, 17, 19,
22, 24 e 26
Fundamentos do alumínio: Processos, propriedades e aplicações (Curso
Web)
30 e 31 Metalurgia do alumínio para não metalurgistas
Novembro
06 Ligas de alumínio de alta resistência: Características e principais
aplicações
07 e 08 Fornos Rotativos - Aspectos operacionais e sua otimização
WEBINAR
Outubro 10 Fachadas unitizadas: Tendências de aplicação do alumínio
29 Reciclagem de Alumínio: Cenário, processo e perspectivas
Novembro 08 Técnicas de união do alumínio no setor automotivo
98
Mais informações: www.abal.org.br
Programação - Próximas Atividades
Centro Cultural do Alumínio
•R. Humberto I, 220 – 4º andar – CEP 04018-030 – São Paulo (SP)
•Tel.: 55+ (11) 5904-6450 – www.abal.org.br – alumí[email protected]