Mayo 2008

Aceros avanzados de alta resistencia AHSS

1) Introducción 2) Metalurgia de los AHSS Dual Phase (DF) Transformation Induced Plasticity (TRIP) Complex Phase (CP) Martensitic (MS) Ferritic-Bainitic (FB) Twinning-Induced Plasticity (TWIP) 3) Conformado de los aceros de alta resistencia 4) Fuentes de información

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1. INTRODUCCIÓN Durante los últimos años se está apostando fuertemente por medidas más respetuosas con el medio ambiente. Las políticas nacionales e internacionales están realizando esfuerzos económicos tanto a nivel de investigación como apoyo a empresas para que se consigan avances tecnológicos más respetuosos con el entorno. El sector automovilístico no se encuentra al margen de estas políticas, y dado que es un sector altamente contaminante, está apostando más fuertemente desde diferentes líneas estratégicas, que tienen como última finalidad la reducción del consumo de los combustibles fósiles. Para ello el sector se enfrenta con dos opciones, la primera la apuesta por nuevos métodos de obtención de energía más limpias, y la segunda por la reducción de contaminantes de los actuales combustibles. Una forma de llevar a cabo esta reducción del consumo es la reducción del peso de los componentes de un automóvil, y por lo tanto la investigación y aparición de nuevos materiales más ligeros que contengan las mismas prestaciones mecánicas o superiores. Actualmente para llevar a cabo la reducción de espesores de los diferentes componentes metálicos encontrados en un automóvil, como montantes, taloneras, refuerzos laterales, etc. y con un aumento la resistencia al impacto, se están empezando a utilizar los llamados aceros avanzados de alta resistencia (Advanced High Strength Steel). Los aceros que actualmente son usados en el sector del automóvil se definen como de alta resistencia HSS (High-Strength Steels) los cuales poseen límites elásticos comprendidos entre 210 y 550 MPa y con una tensión de rotura de entre 270 y 700 MPa. Mientras que otros aceros con límites elásticos mayores de 550 MPa y con tensiones de rotura mayor de 700 MPa son los llamados aceros avanzados de alta resistencia AHSS (Advanced High strength Steels). En la siguiente fotografía se muestran diferentes tipos de estos aceros.

Fuente: International Iron and steel institute

La principal diferencia entre los aceros convencionales HSS y los avanzados AHSS es su microestructura. Los HSS son monofásicos con una estructura ferritica, mientras que los AHSS son de múltiples fases, que pueden contener ferrita, martensita, bainita, y / o

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austenita retenida en cantidades suficientes para producir distintas propiedades mecánicas. Algunos tipos de AHSS tienen una mayor capacidad de endurecimiento dando como resultado unas propiedades resistencia-ductilidad mayor a los aceros convencionales. A continuación se muestran distintas calidades de los aceros avanzados de alta resistencia. Como podemos ver la estructura de la nomenclatura comienza con el tipo de acero seguido del límite elástico y la tensión de rotura.

Fuente: International Iron and steel institute

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2. METALURGIA DE LOS AHSS La fabricación de los AHSS es algo más compleja que los aceros convencionales. El control en la fabricación debe ser mayor ya que se basa en los porcentajes de las diferentes fases presentes. Dentro de esta clasificación nos encontramos con los llamados Dual Phase (DP), Transformation-Induced Plasticity (TRIP), Complex Phase (CP), FerriticBainitic (FB), Twinning-Induced Plasticity (TWIP), Hot-Formed (HF), Post-Forming HeatTreatable (PFHT). Aquí vamos a describirlos algunos tipos para comprender mejor sus capacidades. Fuente: International Iron and steel institute

Dual Phase (DP) Estos aceros poseen una matriz ferritica con islotes de martensita. Se pueden obtener altos valores de resistencia según la cantidad de martensita presente. Los aceros son fabricados con un alto control en el enfriamiento de la austenita para posteriormente transformar esta en martensita, aunque dependiendo del proceso de fabricación pueden mejorar por la aparición de bainita. El recocido al que es sometido va a ser clave en estos aceros ya que de ahí se obtendrá la fase más dura. La figura de la derecha muestra el rango de valores de resistencia que posee comparado con su porcentaje de elongación. El efecto de endurecimiento incrementa el valor del límite elástico con una elevada temperatura de envejecimiento. En los DP elementos como el manganeso, el cromo, el molibdeno, vanadio y níquel ayudan a la formación de la martensita.

Fuente: International Iron and steel institute

Esta capacidad dual da los materiales una muy buena conformabilidad, ya que coexiste una fase blanda como la ferrita y una dura como la martensita. El proceso de endurecimiento por cocción va a dotar a estos materiales de una mayor resistencia como consecuencia de la aparición de compuestos intermetálicos.

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Transformation-Induced Plasticity (TRIP) Como vemos en la figura la microestructura de los aceros TRIP es una formación de distintas fases donde la ferrita y bainita son las que forman la matriz. Las fases bainitas y martensiticas serán las encargadas de darle al material una alta resistencia. Poseen una cantidad minima del 5% de austenita retenida. Fuente: International Iron and steel institute

Durante la deformación, la aparición de una fase dura entorno a la ferrita crea un endurecimiento por deformación como el observado en los DP. Sin embargo, en los TRIP la austenita retenida también se transforma progresivamente en martensita con el aumento de la tensión, con lo cual aumenta aún más la dureza consiguiendo niveles más altos que los DP. En los TRIP también interviene la velocidad de deformación, factor muy importante para las propiedades que afectan a la resistencia al impacto. El nivel de austenita retenida que se transforma en martensita dependerá del contenido de carbono. A bajos niveles de carbono, la austenita retenida empezará a transforFuente: International Iron and steel institute

marse inmediatamente bajo deformaciones. A altos niveles de carbono la austenita retenida será más estable y se transformará con niveles de esfuerzos mayores. Este será la causa de que este material tenga una excelente capacidad para absorción del impacto, e ira aumentando conforme aumente la deformación. Complex Phase (CP) Fuente: International Iron and steel institute

Estos aceros contienen una alta resistencia a tracción como se muestra en la siguiente gráfica. La microestructura posee pequeñas cantidades de martensita, austenita retenida y perlita en una matriz de ferrita y bainita. Se produce un extremado grano fino producido por una recristalización o por la acción de microaleantes. En comparación con los Dual Phase, los

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Complex Phase contienen un mayor límite elástico con una misma tensión de rotura de un máximo de 800 MPa. Estos aceros también tienen una alta capacidad de absorción al impacto con una alta capacidad de deformación residual. Martensitic (MS) Fuente: International Iron and steel institute

En estos aceros se transforma la mayoría de la matriz en martensita durante el proceso de templado conteniendo pequeñas cantidades de bainita y ferrita. Como podemos observar en la grafica son los que mayor resistencia mecánica poseen alcanzando valores de hasta incluso 1700 MPa. En frecuente someterles a un postcalentamiento para reducir su fragilidad y aumentar su conformabilidad ya que de esta forma aumentamos su ductilidad. En estos aceros el carbono es el encargado del aumento de la resistencia mecánica, aunque elementos como el Mn, Si, Cr… pueden aumentar también esta característica. La fabricación es similar a la de los CP pero interviene una química más ajustada para producir una menor austenita retenida y formar precipitados. Ferritic-Bainitic (FB) Estos aceros poseen una alta capacidad de elongación. Su microestructura es de tipo ferritica y bainitica, esta última será la encargada de darle una mayor resistencia mecánica junto con la morfología de grano fino. Su ventaja respecto a otros aceros es su gran capacidad para la conformación de bordes. También poseen buena soldabilidad y altas resistencia a la fatiga. Fuente: International Iron and steel institute

Twinning-Induced Plasticity (TWIP) Su gran característica es que son aceros con un alto contenido en manganeso, lo que causa que sean completamente austeníticos a temperatura ambiente. La gran causa de su capacidad de deformación tan elevada es el llamado efecto twinning, el tipo de

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emparejamiento o hermandad de los granos que actúan como multitud de bordes de grano, combinando una alta resistencia con una alta conformabilidad. Algunos de los aleantes son el aluminio y el silicio junto con el carbón y el nitrógeno. Una de las ventajas de estos aceros es la buena capacidad para mantener sus propiedades a temperaturas criogénicas.

Muestras a distintos grados de deformación 0,50 y 78 %.

Fuente: Max Planck institute für Eisenfor-

schung GMBH. Structural material steel. Materialknowledge.org

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3. CONFORMADO DE LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA El conformado de los aceros de los aceros de alta resistencia es actualmente la mayor problemática a la hora de decidirse de si el cambio puede dar buenos resultados. Se ha constatado las mejoras alcanzadas desde los costes, ligereza y alta resistencia, de ahí que empresas de todo el mundo estén al tanto de los avances con respecto a la investigación de estos materiales. Asociaciones de todo el mundo tienden la mano en forma de documentos con los resultados de sus conclusiones para una mejor comprensión de este tipo de materiales y su aplicación en los distintos sectores industriales, aunque en su mayor parte sean destinados para el sector del automóvil. Los nuevos aceros avanzados de alta resistencia poseen unas características mecánicas diferentes a las convencionales que se traducen en un desconocimiento por parte de algunas empresas a la hora de trabajar con ellos. Conocer el material con el que se va a trabajar es importante para saber diseñar el producto final, de la misma forma que hay que tener un amplio conocimiento de los útiles con los que se producirán las piezas. Si no se realiza una importante documentación y puesta en marcha de estos aceros pueden aparecer distintos problemas de aplicación o mal conformado final del producto que se traducirá en unas perdidas económicas. Las perspectivas que ofrecen este tipo de materiales tienen una alta importancia en distintos sectores industriales, pero su implantación o puesta en marcha tiene un cierto margen de riesgo, pero totalmente asumido si se conoce bien lo que se quiere. La elección del material a utilizar para los distintos procesos puede generar problemas, como es el caso de los materiales utilizados para prensa de doblado o punzonadoras. A la hora de realizar el doblado las fibras que más sufren las tensiones son las exteriores, y estas tienen que controlarse para evitar la fisuración del producto. Para los aceros avanzados de alta resistencia las elongaciones decrecen con los incrementos de tensión para unos espesores de chapa dados, por lo tanto el radio de curvatura mínimo se va incrementando. A modo de ejemplo se muestra a continuación se muestra una grafica donde se puede apreciar los distintos radios mínimos empleados en distintos aceros avanzados, en este caso para aceros dual phase y martensiticos. Vemos que la posibilidad de lograr un radio mínimo va a ser con creces mayor en los dual phase que en los martensiticos.

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Para las mismas tensiones, los AHSS tienen una elongación mayor que los HSS. La microestructura de los dual phase y los TRIP consisten en una gran heterogeneidad de matriz de ferrita blanda e islas de martensita. Mediante la utilización de este tipo de aceros se puede reducir el radio mínimo lo que nos garantiza tener un amplio margen de las distintas curvaturas. Sin embargo, al existir diferentes fases, unas duras y otras blandas, podemos encontrarnos en la situación de que en la curvatura exista una baja elongación local, ya que la realizamos en su mayoría en las fases duras, lo que puede provocar fisuras en el material. Otro tipo de problemas son los de calidad en las dimensiones de las piezas a causa de la recuperación elástica asociada con la alta resistencia, y con el aumento de la sensibilidad en el proceso por parte de las propiedades del material a estos niveles de resistencia. Para un límite elástico igual, los aceros dual phase exhiben un mayor cambio angular que los convencionales de baja aleación, y los TRIP poseen una recuperación elástica entre los dual phase y los HSLA. Una de las formas de evitar las recuperaciones elásticas o springbacks, es el diseño tanto de las herramientas como de las matrices, este campo es que actualmente tiene una gran importancia a la hora de implantar estos aceros a las industrias. Los principales objetivos por parte de las herramientas para la realización del conformado de los aceros avanzados de alta resistencia son un incremento de la resistencia de estos, puesto que los esfuerzos van a ser mayores en los nuevos aceros, y un mejor diseño de las herramientas y del diseño de producción para incrementar la compensación al springback o recuperación elástica. En comparación con los aceros convencionales la elección del diseño de la herramienta y de la matriz puede ser muy diferente. En el caso de los aceros convencionales la geometría de la pieza conformada es muy similar a la del útil y matriz de conformación, para los nuevos aceros esto varía y deben configurarse según el acero y según las herramientas de conformado. Un buen método para este tipo de diseños es el acompañado por los programa de elementos finitos que nos darán cierta información de los springbacks y de las tensiones de los útiles.

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Para la elección apropiada de las características de las herramientas se tienen que tener en cuenta aspectos como, la rigidez y la dureza por parte del sustrato para tener una cierta protección al fallo de esta, durezas superficiales o capas de protección. Técnicas como la deposición en fase química, CVD, con recubrimientos duros como el TiC, TiN o TiCN, estas tendrán una buena tolerancia dimensional. Otro punto a tener en cuenta es la vida útil de la herramienta, esta si no tiene unas resistencias mecánicas buenas puede acortarse. La reducción del espesor es una de las principales ventajas de la utilización de este tipo de aceros, desafortunadamente la combinación de espesores bajos y altas resistencias mecánicas pueden originar arrugas. Cualquier arruga por parte del material a conformar incrementa las tensiones locales en las herramientas. Recubrimientos superficiales con una alta dureza son imprescindibles a la hora de utilizar los dual phase, pero para aceros de una resistencia mayor a 1000 MPa, estos recubrimientos pueden fallar debido a las tensiones locales. Estos recubrimientos intentarán evitar que la herramienta alcance la deformación plástica, por lo tanto los tratamientos térmicos superficiales también juegan un papal importante. De la misma forma la lubricación en ciertos procesos de conformado también cobra una gran importancia. Herramientas para cortadura deben ser seleccionadas de similar manera. Unas durezas comprendidas entre 58 y 62 HRc son las más recomendadas. La pulvimetalurgia juega aquí también un buen papel, puesto que sus herramientas serán más económicas a la larga, ya que tendrán mayor resistencia. Herramientas con insertos cerámicos tienen una dureza extrema, una alta resistencia a alta temperatura y buen comportamiento tribologico, pero en su contra se encuentra, la fragilidad que poseen y la pobre maquinabilidad.

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4. FUENTES DE INFORMACIÓN Actualmente se encuentra multitud de información en relación con la aplicación de estos aceros de alta resistencia. Gran parte de esta información va dirigida al sector del automóvil, pero a pesar de ello puede ser muy útil para otros campos. Guías como la publicada por el grupo de automoción del IISI, “Version 3 of the Advanced High-Strength Steel (AHSS) Application Guidelines”, nos muestran los diferentes resultados de sus investigaciones, y son un buen método para empezar una documentación que podrá ser más exhaustiva. A continuación mostramos una lista de organismos que disponen de información de interés y que a través de sus publicaciones dan a los lectores un amplio conocimiento de las nuevas aleaciones: International Iron and Steel Institute, www.worldsteel.org The Center for Automotive Research, www.cargroup.org American Iron and Steel Institute www.steel.org The automotive group of the International Iron and Steel Institute, www.ulsab.org The Auto/Steel Partnership, www.a-sp.org

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