Análise de falhas de segmentos de ferrita rejeitados na linha de montagem do corpo de borboleta eletrônico



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Anais do 47º
Congresso Brasileiro de Cerâmica

Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

15-18/junho/2003 – João Pessoa - PB - Brasil



ANÁLISE DE FALHAS DE SEGMENTOS DE FERRITA REJEITADOS NA LINHA DE MONTAGEM DO CORPO DE BORBOLETA ELETRÔNICO

H.N. Yoshimura1, A.J.C. Rego2, R. Ochiai2, A.C. Camargo1, A.P. Abreu1, A.L. Molisani1

Av. Prof. Almeida Prado, 532, São Paulo, SP, 05508-901, hnyoshim@ipt.br

1 – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. – IPT

2 – Siemens VDO Automotive Ltda.

RESUMO


Os segmentos de ferrita analisados atuam no motor do corpo de borboleta do sistema de injeção eletrônica montado pela Siemens-VDO. O desempenho destes segmentos é crítico, pois não podem apresentar falhas mecânicas durante o uso com risco de seus fragmentos travar a borboleta com o motor do veículo em alta rotação. Neste trabalho realizou-se análise de falhas de segmentos rejeitados na linha de montagem com intuito de identificar as origens dos defeitos. As amostras foram analisadas por estereomicroscopia, microscopia óptica e eletrônica de varredura, espectrometria por dispersão de energia, determinação de rugosidade e ensaio mecânico, cujos resultados foram analisados pela estatística de Weibull. Realizou-se também simulações de carregamento no segmento pelo método de elementos finitos para compreensão das fraturas. Os defeitos observados foram: fratura inclinada, lascamento, defeitos superficiais e defeitos microestruturais. Estes defeitos foram associados com o processo de fabricação dos segmentos e com a etapa de magnetização das ferritas.
Palavras-chave: Ferrita, análise de falhas, fractografia, microestrutura, Weibull
INTRODUÇÃO
O corpo de borboleta eletrônico surgiu da necessidade dos sistemas de injeção eletrônica serem cada vez mais confiáveis para manter as emissões de poluentes em níveis baixos. Com uma regulamentação cada vez mais severa, faz-se necessário controlar também o transiente do motor (aceleração ou desaceleração bruscas e fase de aquecimento do motor) de forma cada vez mais precisa. Isso pode ser obtido desacoplando-se parcialmente o controle do motorista sobre o motor, por exemplo, pela utilização de um acelerador eletrônico para controlar a velocidade de abertura da borboleta e evitar a formação de gases nocivos em excesso, acima do limite da legislação de emissões. O controle desse sistema é realizado através de um pedal equipado com um sensor de posição angular, que passa a informação de quanto o motorista está "acelerando" para a centralina do automóvel. Com esse dado e outros provenientes dos diversos sensores instalados no carro, a centralina transmite um sinal controlado de aceleração para o corpo de borboleta eletrônico, de forma a se atingir a aceleração desejada pelo motorista e manter os níveis de emissões e a dirigibilidade do carro dentro do desejável.

A borboleta é acionada por um motor DC embutido dentro do corpo de borboleta. Esse motor possui dois imãs (segmentos) de ferrita que são inseridos em um corpo estator e fixos através de um grampo (Fig. 1). Esse motor é acionado e controlado por um sinal tipo PWM (pulse width modulation, modulação por largura de pulso) , para manter o motor parado em uma posição desejada, tem um torque baixo comparado com outros motores similares (é um motor pequeno), e trabalha com quase nenhuma rotação, o motor gira no máximo 4 voltas em torno de seu eixo. Além disso, esse motor trabalha em condições de alta vibração e temperatura, e tem uma exigência primordial de não poder falhar e mais ainda de não poder travar sobre o risco de poder danificar seriamente o motor do veículo, uma vez que dependendo da posição em que a borboleta travar (como conseqüência do travamento do motor elétrico), o motor do veículo pode estar em uma alta rotação. Nessa aplicação, os segmentos de ferrita (imãs) não podem ter fraturas ou liberar lascas que possam vir a travar o motor. Assim, além das propriedades magnéticas eficientes para se atingir os níveis desejados de performance, o imã deve apresentar bom desempenho mecânico durante o uso.

O processo de inserção e magnetização dos imãs é realizado em dois estágios na Siemens-VDO. A inserção de um par de segmentos (desmagnetizados) e sua fixação no corpo estator pelo grampo são feitas automaticamente em uma única operação, a fim de se evitar que o conjunto possa ser montado de forma errônea e diminuir a possibilidade de ocorrência de danos nos segmentos de ferrita. Após a inserção, o conjunto é inspecionado visualmente e aspirado para limpeza. No estágio seguinte, o conjunto é posicionado automaticamente através de uma garra no dispositivo de magnetização, onde é aplicada uma alta corrente (um pulso de duração de alguns milisegundos e de dezenas de milhares de Ampéres) através do pino guia, que gera um campo magnético que carrega os imãs (magnetizador capacitivo). Após a magnetização, o conjunto é removido automaticamente para se evitar que os imãs se choquem com o pino guia e o campo magnético do imã é verificado para se assegurar que esteja dentro dos padrões funcionais do produto. Ao final, o conjunto é novamente inspecionado visualmente e, em seguida, soprado e aspirado simultaneamente.

Em um determinado período, observou-se queda de qualidade dos segmentos de ferrita fornecidos, o que acarretou em um aumento drástico de segmentos rejeitados na linha de montagem, que apresentavam defeitos de quebra, trincas e lascamento. Como este componente é de alta responsabilidade, decidiu-se pela realização de uma análise de falhas dos segmentos de ferrita rejeitados na linha de montagem para se identificar as causas dos defeitos. Neste trabalho apresenta-se o resultado deste estudo, contendo a classificação dos defeitos, suas (possíveis) origens e sugestões para seu controle.



Fig. 1 – Vista explodida do corpo de borboleta eletrônico. (Os segmentos de ferrita estão realçados em vermelho e o corpo estator em cinza.)


METODOLOGIA
Os segmentos de ferrita, após retirados do corpo estator, foram desmagnetizados a 500C. A análise de falhas foi realizada com base nas recomendações da ASTM C 1322-96a (1), utilizando as técnicas de estereomicroscopia óptica (EO, Wild Heerbrugg, MPS 11), microscopia óptica (MO, Zeiss, Photomikroskop III), microscopia eletrônica de varredura (MEV, Jeol, JSM 1200), no modo de imagens de elétrons secundários, e espectrometria por dispersão de energia (EDS, Noram).

Os segmentos foram submetidos a um ensaio mecânico (Tinius Olsen) com velocidade da travessa de 1,25 mm/min, aplicando-se a carga por meio de uma barra cilíndrica de 7,9 mm de diâmetro disposta transversalmente próxima ao meio do segmento, com este apoiado com o lado convexo sobre uma base plana. Determinou-se também a rugosidade média aritmética (Ra) e a rugosidade máxima (Ry) segundo recomendações da norma JIS B 0601-1994 (2), utilizando um rugosímetro (Mitutoyo, Surftest 301). Realizou-se simulações de carregamento mecânico pelo método dos elementos finitos (FEM) com o programa ANSYS. O modelo criado teve as dimensões do segmento de ferrita, com cerca de 4105 nós e 4198 elementos, cujo tamanho foi de 2 mm e o tipo utilizado foi o SOLID92, que é um elemento estrutural tetraédrico tridimensional com 10 nós, adequado para a geração de malhas em volumes irregulares, como o modelo analisado.



RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os defeitos analisados foram classificados em: i) fratura inclinada no canto, ocorrida durante a magnetização; ii) lascamento das bordas, ocorrido antes e durante a magnetização; iii) defeitos superficiais, não relacionados ao processo de montagem. A Figura 2 apresenta esquematicamente os tipos de defeitos observados.





Fratura inclinada

Lascamento

Trinca longitudinal


Trincas ‘abertas’

Falta de preenchimento de material

Chanfro interno

Lateral plana


Pé”

Fig. 2 - Representação esquemática dos tipos de defeitos observados no segmento.


Fratura inclinada


A análise visual de 20 segmentos com este tipo de defeito mostrou que a distância entre a posição da fratura na lateral plana e o pé do segmento variou de aproximadamente 4 a 11 mm e o ângulo entre a fratura e a lateral plana variou de aproximadamente 45 a 60 graus. Considerando a disposição de montagem, 85% das fraturas inclinadas ocorreram na parte superior do segmento e as demais na parte inferior. De 13 fraturas analisadas no estereomicroscópio, 12 tiveram suas origens identificadas na superfície interna (côncava) do segmento, sendo que uma fratura não teve a sua origem determinada. Metade das origens ocorreu na superfície usinada côncava próxima ao chanfro (Figura 3a) e metade no próprio chanfro. A área semi-elíptica da origem da fratura ocorrida na superfície usinada foi perpendicular à superfície e paralela à direção de usinagem. Após a formação da área semi-elíptica, a trinca cresceu mudando de direção de propagação para o lado do pé do segmento, formando a fratura inclinada.






(a)

(b)

Fig. 3 – (a) EO, origem de uma fratura inclinada (indicada com seta); (b) MEV, imagem da superfície usinada.
Na etapa de magnetização da ferrita, o corpo estator contendo um par de segmentos é encaixado sobre um pino magnetizador fixo verticalmente à bancada. No momento da magnetização ocorre um movimento inclinado do conjunto cilíndrico contendo os segmentos que leva ao impacto de uma das extremidades de cada segmento contra o pino, em decorrência da folga existente. A fratura inclinada é decorrência deste impacto que ocasiona um esforço de flexão no canto do segmento, com componente de tração no lado côncavo do segmento. Esta análise é coerente com a observação de que a origem das fraturas foi identificada na superfície côncava do segmento próxima às bordas contendo o chanfro. A simulação pelo método dos elementos finitos com aplicação de carga como descrita acima confirmou que a tensão máxima ocorre próxima ao chanfro (Fig. 4).









(a)

(b)

(c)

Fig 4 – Simulação FEM: (a) carregamento e restrições (constraints) do modelo; (b) distribuição da deformação; (c) distribuição da tensão.
A análise por MEV indicou que a origem da fratura ocorrida na superfície usinada estava associada a defeitos de usinagem. A observação da superfície usinada mostrou, além dos sulcos (riscos) de usinagem, presença de regiões com arrancamento, que podem atuar como concentradores de tensão que causam a fratura prematura do material (Fig. 3b).

Os resultados das rugosidades Ra e Ry foram de (0,410,21) µm e (3,41,5) µm, respectivamente. Estes valores foram próximos aos determinados em segmentos de outros fornecedores. Por outro lado, a análise estatística de Weibull da força de ruptura medida no ensaio mecânico mostrou que o segmento utilizado apresenta grande dispersão de resultados, o que resultou em um baixo módulo de Weibull (m = 2,6, Fig. 5). Isto indica que o segmento analisado apresenta uma larga distribuição de tamanhos de defeitos, que neste caso está relacionada com a profundidade dos sulcos e dos arrancamentos decorrentes da usinagem e das trincas superficiais. A probabilidade de ocorrência da fratura inclinada para uma dada solicitação (abaixo do valor da tensão de ruptura característica) é maior quanto menor o módulo de Weibull do material. Assim, um controle maior da dispersão dos defeitos pode aumentar o módulo de Weibull e diminuir a fração de segmentos fraturados durante a etapa de magnetização.



Fig. 5 – Análise de Weibull dos segmentos de ferrita analisado (CL) e de um segundo fornecedor (TD).


Os meios para se diminuir a incidência da fratura inclinada podem ser:

  1. Diminuir a força de impacto entre o segmento e o pino magnetizador para diminuir a tensão de solicitação no segmento, por ex., pela diminuição da folga entre o segmento e o pino ou pela mudança de sua geometria;

  2. Diminuir e controlar o tamanho dos defeitos para aumentar a força necessária para a ocorrência da fratura, como otimizar a etapa de usinagem (para diminuir sulcos e arrancamentos) e melhorar o acabamento dos chanfros (para diminuir a concentração de tensão). As trincas superficiais (trincas longitudinais descritas abaixo) também devem ser controladas ou ainda eliminadas;

  3. Aumentar a tenacidade à fratura (KIc) do material para torná-lo mais tolerante aos defeitos pela manipulação da microestrutura.


Lascamento

Este tipo de defeito ocorreu principalmente nas bordas do segmento contendo o chanfro. Observou-se basicamente dois tipos de lascamento: o que ocorreu paralelo à superfície usinada na região central do lado convexo (externo) do segmento (lascamento longitudinal), e o que ocorreu transversal à superfície usinada, paralelo à lateral plana contendo o chanfro, em diversas posições do lado côncavo do segmento (lascamento transversal, Fig. 6a). Alguns poucos lascamentos no meio da superfície usinada também foram observados. O lascamento ocorreu por choque mecânico no canto do segmento na direção aproximadamente paralela à propagação da superfície de fratura da lasca. O lascamento longitudinal decorre do impacto entre segmentos quando estes são alinhados na etapa de usinagem. O lascamento transversal decorre principalmente do impacto do segmento contra o pino magnetizador. O lascamento também pode ocorrer durante o manuseio e o transporte dos segmentos, caso ocorram choques mecânicos nos segmentos. Muitos lascamentos foram observados em segmentos que não apresentavam ou apresentavam pequeno chanfro. Cantos “vivos” (retos), sem chanfro, são muito susceptíveis a lascamento em material cerâmico e devem ser evitados. Rebarbas resultantes da folga na matriz de prensagem (Figura 6b) também devem ser evitadas. A presença de chanfros nos segmentos deve diminuir a incidência deste defeito. O chanfro confeccionado por usinagem pode, entretanto, aumentar a incidência da fratura inclinada, caso não seja realizado com bom acabamento. Neste caso, o chanfro decorrente do perfil da matriz de prensagem, sem presença de rebarba, é a melhor solução.

A facilidade com que este defeito ocorre, mesmo em segmentos com chanfro, indica que o segmento utilizado tem uma alta susceptibilidade ao lascamento. Esta característica não está relacionada com a resistência mecânica média do segmento. Na Figura 5 são apresentados comparativamente os resultados de força de ruptura de um segmento de ferrita de um outro fornecedor, que apresentava menor incidência de lascamento, onde se observa que este apresenta resistência média menor do que a do segmento analisado. O lascamento pode estar relacionado com “pontos fracos” presentes na estrutura do segmento. A análise microestrutural mostrou que o segmento utilizado apresenta larga distribuição de tamanhos de grão comparada com as de outros fornecedores (Fig. 6c), e também presença de grãos anormais (Fig. 6b). Grãos grandes são pontos fracos do material e precisam ser controlados. Estrutura de grãos alongados e alinhados também pode favorecer a ocorrência de fratura em planos paralelos aos grãos. A análise microestrutural mostrou que alguns segmentos utilizados apresentaram forte alinhamento de grãos cristalinos, principalmente no plano paralelo às superfícies usinadas (Fig. 6d). A otimização dos parâmetros de processamento nas etapas de conformação do corpo verde e de sinterização pode diminuir estes defeitos.







(a)

(b)





(c)

(d)

Fig. 6 – (a) EO, lascamento transversal; (b) MEV, detalhe do chanfro (R – rebarba; A – grão anormal); (c) MEV, microestrutura típica transversal; (d) MEV, grãos alinhados em uma seção aproximadamente paralela às superfícies usinadas.
Defeitos superficiais

Diversos defeitos na superfície dos segmentos foram observados, sendo os principais: falta de material, trincas largas (abertas) e trinca estreita longitudinal (na direção de usinagem). Estes defeitos foram observados principalmente no lado côncavo, próximo aos pés (extremidades) do segmento.

As trincas abertas apresentavam comprimento de alguns milímetros posicionadas em diferentes direções (transversal, longitudinal e inclinada). Estas falhas foram formadas provavelmente durante a sinterização em decorrência das tensões internas de contração e da não homogeneidade local do material. Estes defeitos podem ter sido causados por uma contaminação de material orgânico, que foi queimado durante a sinterização, mas é mais provável que o processo de conformação (prensagem) não tenha resultado em um corpo verde homogêneo. A falta de material que alguns segmentos apresentaram nos pés e nos cantos reforçam esta suspeita. Observações indicaram que o fluxo da massa de pós dentro da matriz pode ser um parâmetro importante a ser controlado para obtenção de corpos verdes homogêneos.

Observou-se que muitos segmentos apresentaram trinca estreita que percorria longitudinalmente todo o segmento, aproximadamente paralela ao pé, sempre no lado côncavo. A distância entre a trinca e o pé variou de aproximadamente 2 a 5 mm e a profundidade da trinca variou entre aproximadamente 0,5 e 1 mm. Esta trinca, cuja causa está relacionada com o processo de conformação do segmento, pode ter se formado após a densificação do material, possivelmente no estágio de resfriamento da etapa de sinterização, ou durante a usinagem. A observação de que segmentos antes da usinagem apresentavam esta trinca indicou que a trinca longitudinal deve ter se formado no estágio de resfriamento. Neste caso a usinagem pode ter acentuado a profundidade da trinca.

Realizou-se uma simulação de carregamento similar ao do ensaio mecânico e o resultado mostrou que a tensão máxima ocorre na região central da superfície côncava, em uma área alongada na direção transversal à do carregamento. Os segmentos do segundo fornecedor (amostra TD na Fig. 5) apresentaram fraturas longitudinais próximas do centro, em coerência com a simulação. Os segmentos analisados apresentaram, entretanto, além de fratura na região central, fratura fora desta região. Durante o ensaio mecânico, observou-se que os resultados de baixos valores de força de ruptura estavam associados com fraturas longitudinais deslocadas significativamente da região central. Observação cuidadosa a olho nu antes do ensaio mostrou que alguns segmentos apresentavam finas trincas longitudinais, que foram associadas às fraturas deslocadas da região central e aos baixos valores observados. Estas trincas eram menos perceptíveis à análise visual do que as trincas longitudinais posicionadas próximas aos pés em decorrência de serem facilmente confundidas com os sulcos de usinagem.

A causa das trincas longitudinais próximas ao pé parece estar relacionada, ao menos em parte, com o inserto da matriz de prensagem, mas as causas das trincas longitudinais na região central são desconhecidas (pode estar relacionada com o processo de conformação e secagem do corpo verde ou a usinagem).

O material cerâmico é susceptível ao fenômeno de crescimento sub-crítico, onde a trinca cresce estavelmente (lentamente) sob ação de um carregamento, com tensão menor do que a de fratura, principalmente em atmosferas úmidas. (O exemplo típico é o crescimento de trincas no pára-brisa do automóvel.) Assim, é prudente realizar um estudo para verificar se as trincas observadas, principalmente as agudas (trincas longitudinais), são estáveis ou se elas podem crescer durante a aplicação do componente.

Um estudo detalhado do processo, com base na análise microestrutural e de ensaios mecânicos, faz-se necessário para aprofundar os conhecimentos e controlar os defeitos superficiais, as trincas longitudinais e o lascamento que foram observados nos segmentos.

Em decorrência das diferentes causas dos defeitos, sugere-se que os mesmos sejam classificados conforme o seu tipo, para possibilitar o avanço do controle do nível de rejeição dos segmentos. A classificação sugerida é: fratura inclinada; lascamento; defeito superficial (falta de material e trincas abertas); trinca longitudinal; fratura longitudinal (se houver); e outros defeitos.
NOTA: Os resultados da análise por EDS indicaram que o segmento analisado era composto de óxido de ferro e óxido de estrôncio (ferrita de estrôncio) com pequenas adições de óxidos de cálcio e de alumínio, similar aos de outros fornecedores.

CONCLUSÕES

Na análise de falhas realizada em segmentos de ferrita rejeitados na linha de montagem observou-se que:



  1. A fratura inclinada no canto do segmento foi decorrência de defeitos de usinagem e de defeitos relacionados ao chanfro associados ao esforço mecânico durante a etapa de magnetização.

  2. O lascamento não tem relação com a resistência mecânica média do segmento, e foi favorecido pela ausência de chanfro, pela presença de rebarbas e, possivelmente, pelas heterogeneidades microestruturais (grãos grandes e/ou alinhados) presentes no segmento.

  3. Os defeitos superficiais, falta de material, trincas largas (abertas) e trincas estreitas longitudinais, estão relacionados com problemas associados ao processamento dos segmentos, provavelmente na etapa de conformação. As trincas longitudinais também podem estar relacionadas com a etapa de usinagem.



REFERÊNCIAS

1.  ASTM C 1322-96a, Standard practice for fractography and characterization of fracture origins in advanced ceramics, 1996.



  1. JIS B 0601-1994, Surface roughness – definitions and designation, 1994.


FAILURE ANALYSIS OF FERRITE SEGMENTS REJECTED IN THE ELECTRONIC THROTTLE BODY ASSEMBLY LINE
ABSTRACT

The analyzed ferrite segments work in the motor of electronic throttle body produced by Siemens-VDO and used in car electronic fuel injection systems. This segments performance is critical, once that it can not show any kind of failure under the risk of ferrite fragments block the motor and stuck the throttle plate in a motor high speed position. In this study was made a failure analysis of segments rejected in the assembly line aiming to identify the defects root cause. The samples were analyzed by stereomicroscopy, optical and scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, roughness determination and mechanical testing. The results were analyzed by Weibull statistics. Also were made numerical simulations of loading in the segment, using the finite element method (FEM), to a better comprehension of fractures. The defects observed were inclined fracture, chipping, superficial defects and microstructural defects. These defects were associated with the segments manufacturing process and with the ferrites magnetization process




Key-words: Ferrite, failure analysis, fractography, microstruture, Weibull

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