Molas Automotivas

A Mola Trata-se de um elemento único ou uma associação de elementos (sistema) capaz de assumir notáveis deformações elásticas sob a ação de forças ou momentos, e, portanto, em condições de armazenar uma grande quantidade de energia potencial elástica.

Processo de fabricação

A simples fabricação de uma mola requer maquinário especial e diversos processos para garantir que a mesma não entrará em fadiga antes do tempo ou mesmo que aconteça uma quebra inesperada ao passar por uma lombada, como já vi acontecer.

Para a fabricação de molas helicoidais, são utilizadas como matéria-prima aços de alto grau de resiliência. a função principal de se utilizar materiais resilientes, é garantir a qualidade do produto.

Exemplos de materiais:

SAE 6150 - aço cromo-vanádio

SAE 9254 - aço cromo-silício

O cromo é um elemento que age na melhoria da resistência a corrosão do material.

Para molas helicoidais, um fio longo é usado e alimenta um enrolador automático. Um enrolador automático é uma máquina que pode forçar o fio da mola em forma de espiral. São máquinas tipicamente ajustáveis que podem alterar a tensão, o comprimento e o número de bobinas.

O aço é enrolado em torno de um mandril enquanto deformado. Em seguida, ele é imediatamente retirado da máquina de enrolamento e mergulhado em óleo para resfriar rapidamente e obter dureza. Nesta fase, o aço é demasiado frágil para funcionar como uma mola, e deve em seguida ser revenido para adequar as propriedades exigidas.

Composição Química do Material

Os materiais empregados na construção das molas são os  aços a carbono, com teor de carbono  superior a 0,7% e até a 1 ou 1,2%, os  aços a manganês, pela sua elevada resistência à fadiga, os aços a silício, pelos seus elevados limites de elasticidade e de ruptura, depois da têmpera. Para  estes dois últimos aços, porém, as maiores propriedades são atingidas com a  presença simultânea do manganês e eventualmente do cromo.

Na fabricação de molas helicoidais enroladas a quente são utilizados: SAE 1070 - chamado de aço-carbono, trefilado com composição química provável: Carbono (0,65% a 0,75%), Magnésio (0,60% a 0,90%), Silício (0,15% a 0,20%),

Existem também outros tipos de aços que seguem a mesma linha do SAE 1070 com algumas alterações, mas são menos comerciais (SAE 1080, SAE 1095 e SAE 2024).

Algumas séries especiais de aços chamados de aços-liga. São eles: SAE 5150, SAE 5160, SAE 51B60H, SAE 6150, SAE 9260, SAE 9850 e SAE 9962. Tem composição química provável: Carbono (0,55% a 0,65%), Magnésio (0,65% a 1,10%), Silício (0,20% a 0,35%), Cromo (0,60% a 1%), alguns tipos contém Vanádio (0,15% min.) e Molibdênio (0,15% a 0,25%),

Os aços-liga apresentam melhores propriedades de fadiga e limites elásticos, mais elevados do que os aços-carbono. São, contudo, mais suscetíveis a certas imperfeições superficiais.

Requisitos Mecânicos da Peça

Os aços para molas devem apresentar alto limite de elasticidade, grande resistência e alto limite de fadiga.

De fato, as condições de serviço das molas são, muitas vezes, extremamente severas, quer pelas cargas e tipos de esforços que irão suportar, quer devido às temperaturas, meios corrosivos, vibração, etc., a que podem estar sujeitas.

Para molas de aço carbono, as especificações desejadas são:

-Resistência à tração 175 a 280 Kg/mm2

-Alongamento: cerca de 8%.

-Carga de trabalho recomendada para serviço pesado: 52,5 Kg/mm2

-Dureza Rockweel "C": 42 a 46.

Para molas de aço ligado, as especificações desejadas são:

-resistência à tração de 140 a 175 Kg/mm2

-Alongamento cerca de 5%

-Carga de trabalho recomendada para serviço pesado 42 Kg/mm2.

-Dureza Rockweel "C": 42 a 49.

Os ligados são usados onde se necessita grande resistência à corrosão e ao calor, e onde se necessita de grande número de flexões.

Esforços mecânicos

Existem 2 tipos de solicitações mecânicas básicas : tração e compressão.

A compressão é um estado de tensões puro e numa linguagem simples, isto significa que o material ou está comprimido ou não está. A figura abaixo demonstra a aplicação dessas forças atuantes.

Figura:1 Mola Helicoidal de espiras com aplicação de carga (F), o torque de

cisalhamento em todo o fio (T), diâmetro nominal da mola (D), diâmetro do fio

(d).

O material deve obedecer a lei de Hooke. Segue abaixo um exemplo:

Molas são elementos essencialmente elásticos, ou seja, trabalham absorvendo

energia e a devolvendo quando cessa a aplicação da força. Toda mola tem seu

limite de elasticidade como vemos no diagrama abaixo:

Tratamentos Térmicos

Normalmente as molas de aço carbono são temperadas e em seguida revenidas como mostra o seguinte diagrama:

Diagrama TTT para um aço temperado e revendio.

A austempera também é aplicada com sucesso a todos os tipos de molas pois, requer alta resistência à fadiga e, normalmente, suas durezas encontram-se na faixa de 40 a 50 HRC.

A grande vantagem da Austêmpera, é que o mesmo não necessita de revenido, sendo a peça aplicada após o resfriamento.

A tabela abaixo mostra uma comparação entre as propriedades dos tratamentos térmicos austêmpera e a têmpera + revenido.

Tabela 2 - propriedades dos tratamentos térmicos

Uma aplicação vantajosa da austêmpera é aplicá-la a aços que apresentem tendência à fragilidade de revenido, ou seja, aços ligados com Cr e/ou Mo que, após a têmpera devam ser revenidos entre 350°C e 500°C. A formação da bainita, entre 280°C e 350°C, permite que se alcance a dureza desejada, evitando-se o intervalo crítico de fragilização.

Quando a dureza necessária for inferior a 40 HRC, a têmpera e o revenimento proporcionarão melhores resultado.

A desvantagem, é que só podem ser aplicadas a peças pequenas, com espessura menor do 8 a 12 mm, onde a velocidade de resfriamento é rápida e homogênea.

Figura 2.2 – Formação da microestrutura metalográfica bainita.

Microestrutura

Para aços austemperados temos a presença de bainita, que pode ser superior ou inferior. Segue abaixo:

Figura 2.3 – Bainita superior em diferentes concentrações de carbonos.

Figura 2.4 – Bainita inferior em diferentes concentrações de carbonetos.

Para aços temperados e revenidos temos a presença de martensita revenida. Segue abaixo:

Analise Técnica

Analisando-se os dados deste trabalho percebe-se que, mesmo apresentando um limite de resistência superior ao das peças temperadas e revenidas, as peças austemperadas alcançam valores significativamente maiores de alongamento, estricção e resistência ao impacto. Já, o limite de escoamento das peças austemperadas é consideravelmente menor que o alcançado pelas peças temperadas e revenidas, o que não pode ser desprezado ao dimensionar – se qualquer elemento de maquina.

Quanto á resistência à fadiga por flexões alternadas, a austêmpera apresenta vantagens significantes, mesmo que as peças apresentem regiões com grandes concentrações de tensões como, por exemplo, entalhes, furações, variações geométricas abruptas, etc.

As excelentes propriedades de resistência à fadiga por flexões alternadas e tenacidade, obtidas pela austêmpera, limitam-se ao intervalo de durezas entre 40 e 50 HRC.

Tanto a profundidade endurecida, quando a dureza alcançada pela austêmpera são inferiores aquelas possíveis de serem obtidas pelo tratamento de têmpera e revenido. Por essa razão, os aços-carbono utilizados para a austêmpera devem conter um teor de carbono mínimo de 0,5% e, as peças tratadas não devem ser mais espessas do que 3 mm.

A têmpera seguida de revenido ainda é o processo mais utilizado na produção de molas, pois torna a fabricação mais barata e produz peças com ótimas propriedades mecânicas necessárias ao uso.