ESTUDIO DEL EMPLEO DE NUEVOS MATERIALES PARA LAS APLICACIONES TRADICIONALES DE LOS FABRICADOS METÁLICOS Mayo 2009 Este Estudio se enmarca dentro del II Plan de Competitividad de la Empresa Valenciana del Sector Metal, promovido por el IMPIVA y con la cofinanciación del Programa Operativo FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional) PROMOVIDO POR: COFINANCIADO POR:
Índice 1. INTRODUCCIÓN 2. SECTORES PRODUCTIVOS EN LA COMUNIDAD VALENCIANA 2.1. PRIMERA TRANSFORMACIÓN Y SEMIPRODUCTOS 2.2. MAQUINARIA Y BIENES EQUIPO 2.3. CARPINTERIA METÁLICA 2.4. MOLDE, MATRICERÍA, ESTAMPACIÓN Y FUNDICIÓN 2.5. COMPONENTES ELÉCTRICOS/ELECTRÓNICOS 2.6. ELEMENTOS DE ILUMINACIÓN 2.7. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 2.8. INDUSTRIA AUXILIAR AR MECÁNICA 2.9. ARTE EN METAL 2.10. COMPONENTES AUTOMOCIÓN 2.11. OTROS PRODUCTOS METÁLICOS 3. ALTERNATIVAS A LOS MATERIALES UTILIZADOS ACTUALMENTE 3.1. ACEROS AVANZADOS DE ALTA RESISTENCIA (AHSS) 3.1.1. Definición y Clasificación de los AHSS 3.1.2. Metalurgia de los AHSS 3.1.2.1. Aceros Fase Dual (DP) 3.1.2.2. Aceros con Plasticidad Inducida por Transformación (TRIP) 3.1.2.3. Aceros de Fase Compleja (CP) 3.1.2.4. Aceros Martensíticos (MS) 3.1.2.5. Aceros Ferrítico-Bainítico (FB) 3.1.2.6. Aceros con Plasticidad Inducida por Unión (TWIP) 3.1.2.7. Aceros Formados en Caliente (HF) 3.1.2.8. Aceros Tratables Térmicamente Pos-formado (PFHT) 3.1.3. Aplicaciones de los AHSS 3.1.4. Evolución de los AHSS 3.2. MAGNESIO Y ALEACIONES DE MAGNESIO 3.2.1. Características del Magnesio 3.2.2. Identificación de las Aleaciones de Magnesio 3.2.3. Elementos de 3.2.4. Aleaciones de Magnesio Fundidas 3.2.5. Aleaciones de Magnesio Forjadas 3.2.6. Aplicaciones del Magnesio y Aleaciones de Magnesio 3.2.7. Investigación y Desarrollo del Magnesio y sus Aleaciones 3.3. TITANIO Y ALEACIONES DE TITANIO 3.3.1. Historia 3.3.2. Características Generales y Propiedades Físicas 3.3.3. Aleaciones y Diagramas de Fase 3.3.4. Desarrollo Microestructural 3.3.5. Propiedades Mecánicas 2 de 94
3.3.6. Propiedades químicas y comportamiento a corrosión 3.3.7. Selección de las Aleaciones de Titanio y Aspectos de Diseño 3.3.8. Aplicaciones 3.4. ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO 3.4.1. Características del Aluminio 3.4.2. Sistemas de Designación de Aleaciones y Tratamientos Térmicos 3.4.2.1. Aleaciones de Aluminio Forjadas 3.4.2.2. Aleaciones de Aluminio Fundidas 3.4.2.3. Tratamientos Térmicos 3.4.3. Propiedades Mecánicas para Aleaciones de Aluminio Forjadas y Fundidas 3.4.4. Desarrollo de las Aleaciones y Procesos de Fabricación para el Aluminio 3.4.4.1. Aleaciones de Aluminio-Litio 3.4.4.2. Nuevas Aleaciones de Aluminio para la Automoción 3.4.4.3. Espumas de Aluminio 3.4.4.4. Compuestos de Matriz Metálica base Aluminio 3.4.4.5. Soldadura por Fricción (Friction Stir Welding, FSW) 3.5. NÍQUEL Y ALEACIONES DE NÍQUEL 3.5.1. Propiedades del Níquel y Aleaciones de Níquel 3.5.2. Aplicaciones y Características del Níquel y Aleaciones de Níquel 4. CONCLUSIONES 5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 3 de 94
EMPLEO DE NUEVOS MATERIALES PARA LAS APLICACIONES TRADICIONALES DE LOS FABRICADOS METÁLICOS 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad las empresas se encuentran enfrentadas a profundos cambios ocasionados por la tecnología, la competencia global y nuevas formas de operar. El sector Metalmecánico de la Comunidad Valenciana, no es ajeno a estos cambios, además por tener una amplia relevancia debe potenciar los avances tecnológicos que permitan desarrollar una infraestructura de industrias duras que respondan a los requerimientos del desarrollo productivo sectorial. En los últimos años, el equipamiento y la organización de los procesos industriales del sector metalmecánico han sufrido una profunda reestructuración. En ese nuevo entorno de la demanda se constata la necesidad de estar en permanente contacto con el mercado, para atender rápi- damente a las nuevas tendencias y producir una gran diversidad dad de productos en series peque- ñas o medianas, con flexibilidad, calidad y productividad. Hasta hace aproximadamente 50 años, los únicos utilizados en aplicaciones de inge- niería o estructurales eran los metales, sin embargo, la creciente demanda a de con propiedades cada vez más específicas, como resistencia química en ambientes altamente agresivos, la resistencia a alta temperatura, la resistencia al desgaste y el bajo peso, motivó la aplinuevos con mejores prestaciones mecánicas. Por todo esto, constantemente se buscan alternativas para mejorar a los tradicionales o reemplazarlos con nuevas materias primas y superar de la mejor forma posible sus desventajas. cación y el desarrollo de Entre esos se tienen las aleaciones superplásticas, los nuevos aceros refractarios e inoxidables, las aleaciones con memoria de forma, las aleaciones para pulvimetalurgia, las alea- ciones magnéticas y con propiedades eléctricas especiales, los nanoestructurados y los vidrios metálicos, con propiedades magnéticas muy particulares, las aleaciones ligeras con buena relación resistencia/peso, etc. Para dar una idea de las tendencias en desarrollo e investigación en metálicos, se presentan los campos señalados por el programa de metálicos Euram de la Comuni- dad Económica Europea (CEE). Mejoramiento de las aleaciones de aluminio clásicas y desarrollo de otras nuevas para uso en la industria del transporte, en donde la relación de propiedades des mecánicas a peso específico es muy importante. Desarrollo de nuevas aleaciones de aluminio, magnesio y titanio mediante técnicas de pul- vimetalurgia. Desarrollo de aleaciones livianas superplásticas. Desarrollo de aleaciones de aluminio y de magnesio utilizando técnicas de solidificación rápida en atmósfera inerte y técnicas de vaciado, como la llamada "rheocasting". Simplificación de métodos de obtención de aleaciones de titanio. Desarrollo de nuevas aleaciones de magnesio con resistencias mejoradas, tanto mecánicas como químicas, y que se adapten a las técnicas de vaciado modernas (thixocasting). Obtención de nuevos para contactos eléctricos y electrónicos para sustituir a los usados actualmente, como la plata, el platino y el oro. Desarrollo de nuevas tecnologías para el tratamiento de superficies de los para maquinaria y herramientas de corte, aleaciones de magnesio y acero y contactos eléctricos, para protegerlos de la erosión provocada por el fenómeno del arco eléctrico Creación de metálicos magnéticos de alto rendimiento y poco costosos. 4 de 94
Desarrollo de técnicas para colado de componentes de paredes delgadas. De esta manera es necesario conocer de primera mano cuales son los utilizados en la actualidad para a la fabricación de piezas y cuáles son las posibles alternativas de avanzados de fabricación teniendo en cuenta los progresos en investigación, desarrollo e innovación. 2. SECTORES PRODUCTIVOS Y MATERIALES UTILIZADOS EN LA COMUNIDAD VALENCIANA Teniendo en cuenta el Estudio Tecnológico del Sector del Metal de la Comunidad Valenciana realizado por FEMEVAL (Federación Empresarial Metalúrgica Valenciana) y AIMME (Asociación de Investigación de la rama Metalmecánica, afines y conexas), se han identificado las actividades que se encuentran en el sector metalmecánico de la comunidad valenciana y son las siguientes: a) primera transformación y semiproductos, b) maquinaria y bienes equipo, c) carpin- tería metálica, d) molde, matricería, estampación y fundición, ión, e) componentes eléctricos/electrónicos, f) elementos de iluminación, g) tratamientos superficiales, h) industria auxiliar metalmecánica, i) arte en metal, j) componentes de automoción y k) otros productos metálicos, donde se utilizan diversas materias primas para la obtención de sus productos. A continuación enumeramos las actividades y resaltamos las materias primas utilizadas. 2.1. PRIMERA TRANSFORMACIÓN Y SEMIPRODUCTOS La actividad industrial que desarrolla esta industria engloba a los procesos de transformación del material metálico como materia prima en semiproductos a usar por otras actividades de fabricación. Como principales procesos podemos distinguir: procesos de laminación, procesos de ex- trusión, procesos de conformado en caliente, procesos de fundición. Las actividades relacionadas con los procesos mencionados anteriormente y que podríamos especificar son las siguientes: Fabricación de productos básicos de hierro, acero y ferroaleaciones Tubos de hierro, acero y accesorios Estirado en frío Laminado en frío Producción de perfiles en frío por conformación con plegado Trefilado en frío Producción y primera transformación de metales preciosos y de otros metales no férreos: metales preciosos, aluminio, plomo, zinc, estaño, cobre y otros metales no férreos (incluyendo recuperación) Como materias primas encontramos metales férreos y no férreos, de los que podemos destacar: acero, zamak, aluminio y latón. Como productos y mercados se identificaron los siguientes: Automoción. Grifería, sanitarios, auxiliares, etc. Iluminación. Construcción. Joyería y bisutería. 5 de 94
Este sector se encuentra acusado por el aumento de los costes de materia prima a nivel global, repercutiendo en la estructura de su negocio. Además se están popularizando otros para los productos que fabrican, tales como: aleaciones de metales ligeros (Titanio y Magnesio), poliméricos, pulvimetalúrgicos, etc. La variedad de tipos de y las crecientes exigencias en calidad de los semiproductos hace que este sector esté en continua evolución. Ante los cada vez mayores consumos de y su constante diversificación, el segmento ha de plantearse un aumento de la flexibilidad de sus procesos productivos, así como del incremento de la productividad de los mismos. 2.2. MAQUINARIA Y BIENES EQUIPO Este sector comprende aquellas empresas que realizan actividades relacionadas con el diseño, fabricación y montaje de maquinaria, equipos y subconjuntos metalmecánicos, eléctricos y electrónicos de utilización industrial. Los procesos comunes a estas actividades son los de desa- rrollo y montaje, siendo complementarios los de fabricación. La principal materia prima utilizada en el sector es el acero y otros ferrosos y aleacio- nes, aunque cada vez más nos encontramos con plásticos y sus derivados que componen la estructura de la máquina. Así mismo se utilizan una gran variedad de elementos y componentes eléctrico electrónicos, así como mecánicos utilizados para diseñar y fabricar la parte de control y los accionamientos de las máquinas y equipos industriales. Como productos y mercados se identificaron los siguientes: o o o o o o o o o o o o Piezas y subconjuntos mecánicos. Maquinaria para agroalimentación y hostelería. Equipos de elevación y transporte. Maquinaria para la industria cerámica. Maquinaria para la manipulación de papel, cartón, envase y embalaje. Equipos de calor, refrigeración e hidráulicos. Maquinaria para trabajar el metal. Maquinaria para trabajar la madera. Maquinaria para la industria de la piel, cuero y calzado. Maquinaria para la construcción. Maquinaria para industria textil y de confección. Maquinaria para caucho y plástico. 2.3. CARPINTERÍA METÁLICA Esta agrupación de empresas se estructura alrededor de operaciones básicas de corte, taladra- do y ensamblado de perfiles y chapas férricas y alumínicas. La materia prima férrica viene en forma de perfiles conformados en geometrías estándar (tubos, cuadrados, H, U, T, L) y chapa lisa o corrugada. En cuanto al aluminio, se procesa a partir de chapa lisa o corrugada y perfiles extruidos. Las operaciones básicas son: Corte (cizallado, corte por sierra, láser, oxicorte). Taladrado. Conformado (curvados, doblados). Ensamblado (unión doblada, remachado, atornillado, soldadura). Acabado (normalmente pintado). Diferentes tendencias tecnológicas se pueden incluir en este sector: 6 de 94
Aumento de presencia de aluminio en todos los fabricados (salvo en el caso de estructuras metálicas). Materiales alternativos como plásticos y polímeros compuestos para el sector de la consbatientes en construcción, presencia de elementos eléctricos, trucción. Perfiles con rotura térmica, mecanismos oscilo etc. 2.4. MOLDE, MATRICERÍA, ESTAMPACIÓN Y FUNDICIÓN Este sector comprende las actividades de fabricación del útil (moldes y matrices) junto con las de producción. Los moldes y matrices fundamentalmente se mecanizan por procesos de fresado, torneado, rectificado y para ciertos detalles se utilizan procesos de electroerosión. Los mol- des y matrices se fabrican generalmente se fabrican de acero (aceros para trabajo en frío y aceros para trabajo en caliente). Por lo general, para aumentar las propiedades mecánicas del material y adecuarlo a las condiciones que exige el proceso de transformación, se suelen templar y a veces nitrurar. Los procesos de fabricación (fundición inyectada y estampación) se realizan sobre como chapa metálica, chapa galvanizada, aluminio, zamak, latón, bronce y otras aleaciones no férricas. Se consideran dentro del sector de moldes y matrices aquellas empresas que fabrican el utillaje para los siguientes sectores: Inyección de plástico. Inyección de metales. Estampación. Embutición. Forja. Este sector está observando el aumento en las materias primas y por eso la tendencia a mejorar este factor, desarrollando con mejores propiedades tribológicas. Además se están desarrollando los procesos de estampación sin matriz. 2.5. COMPONENTES ELÉCTRICOS/ELECTRÓNICOS Este es un segmento muy variado, articulado alrededor de dos factores: capacidad de desarrollo de producto y funcionamiento vinculado a la disciplina de la ingeniería eléctrica/electrónica. El subsector es un tradicional proveedor de los fabricantes de maquinaria y equipo electrónico final, así como de las actividades de servicio industrial (automatización, reparación y mantenimiento). El en campo del equipamiento eléctrico, el mercado de la distribución eléctrica es también considerable. Sus productos pertenecen al terreno de los componentes eléctricos, como motores, transformadores, componentes de sonorización y comunicación, ión, componentes de automatización, etc. 2.6. ELEMENTOS DE ILUMINACIÓN Se consideran como empresas fabricantes de elementos de iluminación los fabricantes de luminarias aunque también empresas que fabrican componentes para dicho producto. Los materiaariamente utilizados siguen siendo las aleaciones no férricas (latón y zamak), aunque el aluminio empieza a ser un elemento muy significativo en la luminaria de carácter moderno. Otros como aceros inoxidables y no metálicos aparecen les mayoritariamente minoritariamente. Los procesos de fabricación principales son de tipo seriado: 7 de 94
Fundición inyectada. Fundición en coquilla. Forja. Tratándose de un producto cuya funcionalidad es básica, las tendencias tecnológicas visibles son variadas aunque concretas: Presencia de nuevos (plásticos y compuestos cerámicos). Introducción de técnicas para mejorar los diseños y productos (CAD y fabricación rápida). 2.7. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Este segmento agrupa todos los procesos que modifiquen el estado superficial de los, especialmente los metálicos. Entre los principales procesos podemos distinguir: Procesos de tratamientos térmicos Procesos de pretratamientos mecánicos (lijado, pulido, vibrado, granallado). Procesos de anodizado Procesos de conversión, pasivados y fosfatados. Procesos de recubrimientos metálicos galvánicos. Procesos de inmersión en caliente, galvanizados. Procesos de recubrimientos orgánicos, pinturas y barnices. Como materias primas podemos destacar: Compuestos químicos. Sales metálicas galvánicas. Metales férreos y no férreos. Pinturas y barnices. Agua. Gran parte de los movimientos tecnológicos detectados vienen marcados por los impactos medioambientales ligados a los procesos productivos y a los ciclos de vida de los propios productos tratados. Entre estos medios tecnológicos están: Materiales alternativos sustitutivos de los que producen un gran impacto medioambiental y dominar los procesos vinculados (pinturas con base agua, eliminación de cianuros en baños, sustitución del cromo, etc.). Mayor flexibilidad de acabados (PVD, CDV, etc.). 2.8. INDUSTRIA AUXILIAR MECÁNICA Aquí se agrupan las empresas que aplican procesos productivos mecánicos a elementos mecá- nicos, sin tener ni decisiones ni responsabilidades de diseño sobre dichos elementos. Entre es- tos procesos podemos considerar: Mecanizado (fresado, torneado, roscado, etc.). Conformado (doblado, punzonado, estampado). Rectificados. Soldadura. Corte (cizallas, oxicorte, láser, etc.). 8 de 94
Las principales materia primas son: acero, aluminio, zamak y latón en diferentes formas, bien como preformas simples (chapa, tubo, cilindro y cuadrado), bien como componentes destinados a productos finales. 2.9. ARTE EN METAL Dentro de este sector, además de actividades de joyería, cabe considerar los herrajes ornamentales y la forja artística. Los principales procesos de fabricación son los de estampación, forja y fundición de metales (microfusión, fundición a presión y fundición por gravedad). Las principales materia primas utilizadas dependen del tipo de producto que se fabrica. En el caso de la joyería, la materia prima por excelencia es el oro, la plata y en menor medida el platino. Para el resto de sectores los metales de partida son aleaciones de zinc, aleaciones de aluminio, cobre, latón. Los productos y mercados considerados son: Joyería y bisutería. Herrajes decorativos Grifería Forjas artísticas. Ciertos factores amenazan el sector, como lo son: el aumento en el coste de las materias primas y de los costes energéticos. Sin embargo las tendencias tecnológicas hacen siempre que surjan nuevas alternativas de mercado: Nuevos y recubrimientos (oros coloreados, titanios, rodio, platino, aceros quirúr- gicos, nuevas aleaciones). Aplicación de CAD. Aplicación de soluciones de bajo coste en prototipado rápido y fabricación rápida. 2.10. COMPONENTES DE AUTOMOCIÓN En este sector los procesos son muy variados, aunque están condicionados por las necesidades de elevada producción, por lo que son mayoritariamente procesos de conformado metálico: Estampación y embutición. Sinterizado. Doblado y perfilado. Las materias primas principales están en continua evolución y son relativamente variadas: acero, aluminio, compuestos, ABS, etc. Sin embargo, en la comunidad valenciana predominan los aceros (actualmente los aceros de alto límite elástico) en perfil o chapa. 2.11. OTROS PRODUCTOS METÁLICOS Este segmento acumula gran variedad de transformados metálicos orientados tanto al mercado industrial como al de consumo. Señalización Vial. Instrumentos médico quirúrgicos, de precisión, óptica y relojería. Fabricación de pernos, tornillos, cadenas y muelles. Mobiliario metálico, esqueletaje, varillaje. Cables, eslingas, soportes y otros elementos de sujeción. 9 de 94
Artículos de ferretería y cerrajería. Artículos de cocina y menaje. Accesorios de baño. Herramientas, útiles agrícolas. Instrumentos musicales, adornos, trofeos, marroquinería. Artículos deportivos. Recipientes y envases metálicos. Otros aparatos domésticos no eléctricos. 3. ALTERNATIVAS A LOS MATERIALES UTILIZADOS ACTUALMENTE 3.1. ACEROS AVANZADOS DE ALTA RESISTENCIA (AHSS) Los aceros modernos de elevada resistencia, surgen por el proceso de evolución al que se ha visto sometido la industria del acero en cuanto a la necesidad de abaratar las materias primas que se utilizan en gran parte de los procesos de fabricación. Hasta principios del siglo XX, las necesidades de conseguir aceros de mayor resistencia sin variar su composición, y en concreto su contenido en carbono, se solventaban utilizando diseños con mayores secciones de material. Desde entonces, los criterios económicos más racionales, y hoy en día más especialmente, el cumplimiento de los nuevos requisitos de cara al medio ambiente, han promovido el desarrollo de aceros con mejores propiedades mecánicas (resistencia, ductilidad, tenacidad, etc.), con menores espesores y cantidad de material. Estos cambios repercuten de cara a los aceristas en cuanto al ahorro de energía consumida (en kilovatios por tonelada producida), y de cara al usua- rio también se supone un ahorro en el peso de las estructuras construidas. Por una parte, en la actualidad existe un mayor abanico de alternativos a los que el acero debe superar para evitar su reemplazo y por otra parte, los nuevos requisitos en cuanto a prestaciones, seguridad y consumos han llevado al desarrollo de los nuevos aceros. Se puede considerar un caso concreto, el del sector del automóvil; uno de los mayores consumidores de acero, con la introducción de los resultados de los Conceptos Avanzados en Aceros Ultraligeros para las Carrocerías de Vehículos (ULSAB-AVC, AVC, por sus siglas en Inglés) en el año del 2002, se hizo presente el conocimiento sobre los Aceros Avanzados de Alta Resistencia (Advanced High Strength Steels, AHSS por sus siglas en Inglés), de tal forma que hoy en día la industria cuenta con los de alta tecnología que requiere. Estos proporcionan una combinación de características como son la resistencia, facilidad en el formado, facilidad en los procesos de soldado, de durabilidad y de dureza al esfuerzo, características que permiten el diseño y la manufactura de estructuras para vehículos más eficientes y con efectividad en los costos. 3.1.1. Definición y Clasificación de los Aceros Avanzados de Alta Resistencia Una forma de clasificarlos es por su designación metalúrgica, que incluyen los aceros de baja resistencia (aceros sin intersticios y los aceros dulces), los aceros de alta resistencia (HSS) con- vencionales (aceros al carbono-manganeso, aceros endurecidos al horno, aceros sin intersticios de alta resistencia y aceros de alta resistencia, baja aleación de acero) y los nuevos tipos de AHSS (aceros de doble fase, aceros de plasticidad inducida por transformación, aceros de com- pleja fase y aceros martensíticos). Adicional, los aceros de alta resistencia para el mercado au- tomotriz incluyen los aceros ferrítico-bainítico (FB steels), aceros de plasticidad inducida por unión (TWIP steels), nanoaceros, aceros formados en caliente (HF steels) ) y aceros tratados térmicamente después del formado (PFHT steels). Otra forma de clasificarlos es por la resistencia del acero. La industria del acero en forma global, recomendó un sistema de clasificación que defina el límite elástico (YS, pos sus siglas en Inglés) y la resistencia máxima a la tensión (UTS, por sus siglas en Inglés) para todos los grados del acero. Bajo esta nomenclatura, los aceros son identificados como XX aaa/bbb, donde: 10 de 94
XX = Tipo de acero aaa = Límite Elástico (Yield Strength) Mínimo en MPa bbb = Resistencia Última a la Tensión (Ultimate Tensile Strength) Mínima en MPa. Por ejemplo, en este sistema de clasificación, DP 500/800 se refiere a acero de fase doble con un YS mínimo de 500 MPa y un UTS mínimo de 800 Mpa. Versiones abreviadas de este sistema se enfocan en la resistencia última a tensión DP 800, por ejemplo. La Tabla 1 muestra las propiedades mecánicas típicas que ilustran el amplio rango de grados de los AHSS que pueden estar disponibles en el mercado hoy en día. Un tercer método de clasificación presenta varias propiedades mecánicas o parámetros de conformado de los parámetros de los diferentes aceros, tales como el alargamiento total, el exponente de endurecimiento por trabajo n o la capacidad de expansión por perforado. Como ejemplo, la Figura 3 compara el alargamiento total (propiedad del acero relacionada con la formabilidad) para distintos tipos de acero. Figura 8a mues- tra los aceros con menor resistencia en gris oscuro y los aceros HSS (High Strength Steels) en gris claro. Algunos de los aceros AHSS (Advanced High Strength Steels) ) se muestran en color. La figura 3b muestra algunos de los nuevos aceros avanzados de alta resistencia para el mercado automotriz. Las figuras 3a y 3b ilustran la comparación relativa de los diferentes grados de acero (no se especifican los rangos de las propiedades de cada tipo). (a) (b) 11 de 94
Figura 3. a) Esquema de los aceros AHSS (que se muestra en color) en comparación con los aceros de baja resistencia (gris oscuro) y los HSS (gris claro), b) Esquema de los nuevos aceprocesamiento y microestructura para obtener más propiedades específicas y mejores características de conformado. La diferencia principal entre los aceros HSS y los AHSS es su microestructura. Los aceros HSS ros de alta resistencia con características químicas únicas, son aceros ferríticos de fase única. Los aceros AHSS son principalmente aceros multi-fase, contienen ferrita, martensita, bainita y/o austenita retenida en cantidades suficientes para producir propiedades mecánicas únicas. Algunos tipos de AHSS tienen una gran capacidad de endure- cimiento por deformación lo que conlleva a un balance resistencia ductilidad superior a los aceros convencionales. Otros tipos tiene un límite elástico y una resistencia a la tracción ultra- altos y muestran un comportamiento de endurecimiento por recocido (bake hardening). Es importante señalar que los diferentes criterios de especificación han sido adoptados por diferentes empresas automotrices en todo el mundo y que las empresas siderúrgicas tienen diferen- tes capacidades de producción y disponibilidad comercial. Por lo tanto, las propiedades mecánicas típicas que se muestran en la tabla 1 simplemente ilustran la amplia gama de grado de AHSS que pueden estar disponibles. Es imperativo para comunicarse directamente con cada una de las empresas s de acero y determinar la disponibilidad específica de cada grado, los parámetros asociados y propiedades, tales como: Propiedades mecánicas y rangos. Espesores y anchuras. Laminados en caliente, laminados en frío y recubrimiento. Especificación de la composición química. Tabla 1. Ejemplos de Propiedades de los grados de Aceros del ULSAB-AVC. AVC. YS (Límite Elástico) y UTS (Resistencia Última a la Tracción) son los valores mínimos. Tot. EL (Elongación Total), es un valor típico para un amplio rango de espesores y longitudes calibradas. 3.1.2. Metalurgia de los Aceros Avanzados de Alta Resistencia La metalurgia fundamental de los aceros de baja y alta resistencia es bien concebida por los fabricantes y usuarios de aceros. La metalurgia y la transformación de los grados AHSS son algo diferente en comparación con los aceros convencionales, por eso se describe aquí para proporcionar un punto de referencia y comprender como evolucionan sus propiedades mecáni- cas a partir de su singular transformación y estructura. Todos los aceros AHSS se producen mediante el control de la velocidad de enfriamiento de la austenita o austenita más ferrita, ya sea en la mesa en la laminación en caliente (para productos laminados en caliente) o en la sección de enfriamiento de los hornos os de recocido continuo (productos de recocido continuo o recubier- tos por inmersión en caliente). 12 de 94
3.1.2.1. Aceros Fase Dual (DP) El acero DP consiste en una matriz ferrítica que contiene una segunda fase (martensita dura) en forma de islas. El aumento de la fracción volumétrica de la segunda fase generalmente aumenta la resistencia. Estos aceros se obtienen por el enfriamiento controlado de la fase austenita (en productos laminados en caliente) o de las dos fases, austenita y ferrita (para productos laminapara transformar algo dos en frío con recocido continuo y recubiertos por inmersión en caliente), de austenita a ferrita antes que el enfriamiento rápido transforme el resto de austenita en marlaminados en caliente tensita. Dependiendo de la composición y la ruta de procesado, los aceros requieren aumentar la resistencia al estirado o al borde del punzonado (suele medirse por la capacidad de expansión de perforado) puede tener una microestructura que contienen cantidades significativas de bainita. La figura 4 muestra un esquema de la microestructura de un acero DP, que contiene ferrita e islas de martensita. La fase de ferrita suave es generalmente continua, dando a estos aceros una excelente ductilidad. Cuando estos aceros se deforman, la deformación se concentra en la ferrita de más baja resistencia que rodea las islas de martensita, estableciendo la alta tasa de endurecimiento por trabajo; característica principal y/o única de estos aceros. La tasa de enduuna resistencia a la recimiento por trabajo más el excelente alargamiento da a los aceros DP tracción final mucho más alta que los aceros convencionales de similar límite elástico. La figura 5 compara la curva esfuerzo deformación para los aceros HSLA y los aceros DP con un límite elástico similar. El acero DP muestra una tasa por endurecimiento inicial más alta, un aumento de la resistencia a la tracción y la reducción de la relación YS/TS con un límite de elasticidad similar al del acero HSLA. Los aceros DP y otros AHSS también tienen un efecto de endurecimiento por recocido que es muy significativo comparado con los aceros convencionales. El efecto del endurecimiento por recocido es el aumento en el límite elástico resultante de una temperatura de envejecimiento elevada (creado por la temperatura de curado de la pintura del horno) después de una pre-deformación (generada por el endurecimiento por trabajo debido a la deformación durante el estampado o por cualquier otro proceso de fabricación). 13 de 94
Figura 4. Esquema donde se muestra las islas de martensita en una matriz de ferrita. El alcance del efecto del endurecimiento por recocido en los AHSS depende de la química específica y la historia térmica de los aceros. En los aceros DP, el carbono permite la formación de martensita a velocidades de enfriamiento normales mediante el aumento de la templabilidad del acero. El manganeso, cromo, molibdeno, vanadio y níquel adicionados por separado o en comtambién refuerza la martensi- binación, también ayudan a aumentar la templabilidad. El carbono ta como un soluto de ferrita más resistente, al igual que el silicio y fósforo. Estas adiciones decuidadosamente, no sólo para producir propiedades mecánicas únicas, sino ben equilibrarse también para mantener una buena resistencia y capacidad a la soldadura por puntos. Sin embargo, de sueldan los grados de más alta resistencia (DP 700/1000) a sí mismo, la soldabilidad por puntos puede requerir ajustes en la práctica de la soldadura. Figura 5. El DP 350/600 con una Resistencia a la Tracción mayor que el HSLA 350/450. 3.1.2.2. Acero con Plasticidad Inducida por Transformación (TRIP) La microestructura de los aceros TRIP es austenita retenida incrustada en una matriz primaria de ferrita. Contiene un 5 por ciento en volumen (como mínimo) de austenita retenida y diferentes cantidades de fases duras (como martensita y bainita).los aceros TRIP suelen requerir el uso de un mantenimiento isotérmico a una temperatura intermedia, que produce algo de bainita. Con el alto contenido de silicio y carbono de los aceros TRIP también se obtienen importantes fracciones volumétricas de austenita retenida en la microestructura final. Un esquema de la microes- tructura del acero TRIP se muestra en la Figura 6. 14 de 94
Figura 6. Fases adicionales en los aceros TRIP: bainita y austenita retenida. Durante la deformación, la dispersión de las fases duras en la ferrita suave crea una alta velocidad de endurecimiento por, como se observa en los aceros DP. Sin embargo, en los aceros TRIP la austenita retenida también se transforma progresivamente en martensita con el aumento de la deformación, con lo que el aumento de la velocidad de endurecimiento se obtiene en los niveles de deformación más altos. Esto es ilustra en la figura 7, donde se compara el comportadeformación de ingeniería de los aceros HSLA, DP y TRIP de límites elásticos similares. Los aceros TRIP tienen velocidad de endurecimiento por trabajo inicial más bajo que los aceros DP, pero la velocidad d de endurecimiento persiste a deformaciones más altas donde el endurecimiento por trabajo de los aceros DP comienza a disminuir. La velocidad de endurecimiento por trabajo de los aceros TRIP es sustancialmente superior a la de los aceros miento a esfuerzo convencionales HSS, S, proporcionando un importante formado por estirado. Esto es especialmente útil cuando los diseñadores aprovechan las ventajas de la alta velocidad de endurecimiento por trabajo (y el aumento del efecto de endurecimiento por recocido) para diseñar partes utili- zando las propiedades mecánicas de los semi-elaborados. elaborados. La alta tasa de endurecimiento por trabajo persiste a más altas deformaciones en los aceros TRIP, proporcionando una ligera ven- taja sobre los aceros DP en aplicaciones donde el formado por estirado en más severo. 15 de 94
Figura 7. TRIP 350/600 con un mayor alargamiento total comparado con DP 350/600 y HSLA 350/450. Los aceros TRIP utilizan más altas cantidades de carbono que los aceros DP para obtener sufi- ciente contenido de carbono para estabilizar la austenita retenida por debajo de la temperatura ambiente. Se utiliza un mayor contenido de silicio y/o de aluminio para acelerar la formación de ferrita/bainita, por tanto, estos elementos ayudan a mantener el contenido de carbono necesario dentro de la austenita retenida. La desaparición de la precipitación de carburos durante la transformación bainítica parece ser crucial para los aceros TRIP. El silicio y el aluminio se utilizan para evitar la precipitación de carburo en la región bainítica. Se pueden proyectar los niveles de deformación en los que la austenita retenida comienza a transformarse en martensita para ajustar el contenido de carbono. En los niveles más bajos de carbono, la austenita retenida empieza a transformarse casi inmediatamente después de la deformación, aumentando la velocidad de endurecimiento por trabajo y la formabilidad durante el proceso de estampación. A mayores contenidos de carbono, la austenita retenida es más estable y empieza a transformarse sólo en los niveles de deformación más allá de los producidos durante el formado. En estos niveles de carbono la austenita retenida persiste en la parte final. Se transforma en martensita durante la posterior deformación, como el caso de un accidente. Los aceros TRIP se pueden diseñar o adaptar para proporcionar una excelente conformabilidad para la fabricación de piezas complejas de AHSS, para exhibir un alto endurecimiento por trabajo durante un choque o para propor- cionar una excelente absorción de energía en un accidente. Los requerimientos de nuevos elementos de aleación de los aceros TRIP degradan su resistencia in situ en la soldadura por puntos. Esto se puede dirigir por la modificación de los ciclos de soldadura usados (por ejemplo, soldadura por pulsos o soldadura de dilución). 3.1.2.3. Aceros de Fase Compleja (CP) Los aceros CP caracterizan a la transición de acero de muy alta resistencia a la tracción final. La microestructura de los aceros CP contiene pequeñas cantidades de martensita, austenita reteni- da y perlita dentro de la matriz de ferrita/bainita. Se crea un refinamiento de grano extremo por una recristalización retardada o por la precipitación de elementos microaleantes como el Ti o Cb. En comparación con los aceros DP, los aceros CP muestran un límite elástico significativamente más alto con la misma y/o mayor resistencia a la tracción de 800 MPa (Figura 8). Los aceros CP se caracterizan por una alta absorción de energía y una alta capacidad de deformación residual. Figura 8. Esquema de los aceros CP. 3.1.2.4. Aceros Martensíticos (MS) Para crear aceros MS, la austenita que existe durante la laminación en caliente o el recocido se transforma casi en su totalidad a martensita durante el enfriamiento en el tren de laminación o en la sección de enfriamiento de la línea de recocido continuo. Los aceros MS se caracterizan por 16 de 94
una matriz martensítica que contiene pequeñas cantidades de ferrita y/o bainita. Dentro del grupo de aceros multifase, los aceros MS muestran el más alto nivel de resistencia a la tracción. Esta estructura también se puede desarrollar un tratamiento térmico de post-formado. Los aceros MS proporcionar la más alta resistencia, de hasta 1.700 MPa de resistencia última a la trac- ción (Figura 9). A menudo se someten a post-templado templado de amortiguación para mejorar la ductilid y proporcionan una formabilidad adecuada incluso a resistencias extremadamente muy altas. Se adiciona carbono para aumentar la templabilidad y para reforzar la martensita. También se utiliza manganeso, silicio, cromo, molibdeno, boro, vanadio y níquel en diversas combinaciones para aumentar la templabilidad. Los aceros MS se producen a partir de la fase austenita, por el rápido enfriamiento se transforma la mayor parte de la austenita a martensita. Los aceros CP también siguen un patrón similar de enfriamiento, iento, pero aquí la química se ajusta para producir menos austenita retenida y formar precipitados finos para reforzar la martensita y dad bainita. Figura 9. Esquema de los aceros MS. 3.1.2.5. Aceros Ferríticos Bainíticos (FB) Los aceros FB también se denominan a veces Aceros de Reborde Estirado (SF) o Aceros de Alta Expansión de Perforado (HHE) por su inmejorable capacidad de estirado de bordes. Los aceros FB tienen una microestructura de ferrita fina y bainita. El refuerzo se obtiene por el refinamiento de grano y por el endurecimiento de la segunda fase con bainita. Se encuentran en el mercado como productos laminados en caliente. Figura 10. Esquema de los aceros FB. La principal ventaja de los aceros FB sobre los aceros HSLA y DP es su mejor estirabilidad de bordes cizallados, medido con el ensayo de expansión de perforado (Figura 10). Comparando los aceros HSLA con el mismo nivel de resistencia, los aceros FB también tienen un mayor exelongación total. Debido a ponente (n) de endurecimiento por deformación y un aumento de la su buena soldabilidad, los aceros FB se consideran para aplicaciones en matriz a medida (tailo- 17 de 94
red blank).. Estos aceros se caracterizan por su buen desempeño al choque y buenas propiedades de fatiga. 3.1.2.6. Aceros con Plasticidad Inducida por Unión (TWIP) Los aceros TWIP tienen un alto contenido de manganeso (17-24%) que hace que el acero sea completamente austenítico a temperatura ambiente. Esto hace que el principal modo de defor- mación sea el maclaje dentro de los granos. El maclaje causa un alto valor de velocidad de en- durecimiento instantáneo (valor n) ) con una microestructura muy fina. Los límites de las maclas resultantes actúan como límites de grano y refuerzan el acero. Los aceros TWIP combinan una resistencia extremadamente alta con una formabilidad extremadamente alta. El valor n aumenta a un valor de 0.4 con una deformación de ingeniería de aprox. 30% y se mantiene constante hasta una elongación total de alrededor del 50%. La resistencia a la tracción es superior a 1000 MPa (Figura 11). Figura 11. Esquema de los aceros TWIP. 3.1.2.7. Aceros Formados en Caliente (HF) Optimiza parte geométricas con formas complicadas y no establece una recuperación elástica (springback) cuando se utilizan aceros formados en caliente y endurecidos por enfriamiento a temperaturas por encima de la región austenítica (900-950 C). Durante el procesamiento, se diferencian tres estados con diferentes propiedades mecánicas (Ver Figura 12). Elipse 1: Se debe considerar para el diseño de matrices a medida la resistencia a la tracción hasta 600 MPa a temperatura ambiente. Elipse 2: Alta elongación (más del 50%) y baja resistencia a la temperatura de deformación permiten el conformado de formas complejas. Se recomienda un recubrimiento especial de aluminio y silicio para evitar la oxidación de la superficie del producto después del conformado. Elipse 3: Tras la conformación, se consigue una resistencia por encima de 1300 MPa desnto en la matriz. Se deben tener en cuenta procesos especiales a la hora de terminar el producto (no conformados adicionales, cortes especiales y dispositivos de re- pués del enfriamiento corte, etc.) 18 de 94
Figura 12. Esquema de los aceros HF. El tiempo de ciclo típico es de 20 a 30 segundos para cada ciclo de prensado. Sin embargo, se pueden estampar varias partes al mismo tiempo, de modo que se pueden obtener dos o más partes por ciclo. Los aceros al boro conformado en caliente son los más comúnmente utilizados en materia de seguridad y partes estructurales. 3.1.2.8. Aceros Tratables Térmicamente por Post-Conformado (PFHT) El tratamiento térmico de post-conformado es un método general desarrollado como una alterna- tiva de los aceros de alta resistencia. El principal problema de los aceros HSS S ha sido el mantener la geometría de las partes durante y después de los tratamientos térmicos. Fijando las partes, calentándolas (horno o inducción) y enfriando inmediatamente parece ser una solución con las aplicaciones de producción. Además, el estampado ado se forma a una baja resistencia (elipse 1, fig. 13) y luego alcanza una resistencia mucho mayor por tratamiento térmico (elipse 2, fig. 13). Un proceso es enfriamiento en agua de los aceros de bajo costo con sustancias químicas que permiten resistencias s entre 900 y 1400 MPa de la resistencia a la tracción. Además, algunos recubrimientos de zinc pueden sobrevivir a los tratamientos térmicos debido a que el tiempo a la temperatura del tratamiento es muy corto. La amplia variedad de sustancias químicas para hacer frente a partes con requerimientos específicos extra-especiales especiales requiere de una coordinación con el proveedor de acero. Otro proceso el endurecimiento al aire de los aceros aleados de tem- ple que tiene muy buenas características de conformado en estado blando (propiedades de embutición profunda) y alta resistencia después del tratamiento térmico (endurecimiento al aire). Aparte de la aplicación directa como lámina o chapa, los aceros endurecidos al aire son aptos para la soldadura de tubo. Estos tubos son excelentes para aplicaciones de hidro-conformado. Los componentes se pueden tratar térmicamente en horno con una atmósfera protectora de gas (austenizado) y, a continuación, endurecido y templado durante el enfriamiento natural en el aire o un gas protector. Figura 13. Esquema de los aceros PFHT. 19 de 94
Se obtiene una muy buena templabilidad y resistencia al templado mediante la adición, además de carbono y manganeso, de otros elementos de aleación como el cromo, molibdeno, vanadio, boro y titanio. El acero es muy fácil de soldar, tanto en estado blando como endurecido al aire, así como en la combinación de blando/endurecido al aire. Este acero responde bien a las capas de recubrimiento utilizando métodos estándar (lote de galvanizado convencionales y lotes de galvanizado de alta temperatura). 3.1.3. Aplicaciones de los Aceros Avanzados de Alta Resistencia Los aceros avanzados de alta resistencia ofrecen oportunidades técnicas ilimitadas en la fabri- cación de productos más resistentes, livianos y avanzados. Pero su verdadera fortaleza radica en las ventajas económicas que ofrecen. Los aceros avanzados de alta resistencia benefician tanto al fabricante como al usuario final del producto, incrementando la competitividad y rentabi- lidad para ambos. Mediante la utilización de aceros de extra y ultra alta resistencia se puede ahorrar peso, incrementar la carga útil y reducir los costes de fabricación. Algunos ejemplos de aplicaciones en segmentos son: Vehículos de pasajeros. El cumplimiento de las demandas medioambientales ales y las exigencias en materia de seguridad son de gran importancia en la industria de la automoción. El acero de ultra alta resistencia es la solución más efectiva en términos de coste para mejorar la seguridad, el consumo de combustible y el rendimiento en los vehículos de pasajeros. Un ahorro del 1 % en peso conduce a un ahorro del 0.5 % en combustible. Los aceros de ultra alta resistencia pueden ser utilizados para conseguir los mayores ahorros de peso en componentes vitales de la estrucdel vehículo, tales como las barras de impacto lateral de puertas o los pilares B, mejorando al mismo tiempo la capacidad de resistencia al choque del vehículo (Figura 14). Otros, como el aluminio, no ofrecen la misma posibilidad de reducir el peso del componente y mantener al mismo tiempo la capacidad de absorción de energía durante una colisión. La fila central de asientos del Volvo XC90 va montada sobre un avanzado y seguro marco de acero avanzado de ultra alta resistencia. El peso total es de sólo 16 Kg, pudiendo resistir fuerzas de colisión de hasta 6 toneladas. tura de seguridad Ferrocarriles. Los vagones diseñados con componentes construidos en aceros avanzados de extra alta resistencia pueden transportar cargas mayores, y son mucho más resistentes al desgaste y al impacto que los vagones fabricados con aceros suaves. Los vagones abiertos para el transporte de chatarra de acero son un ejemplo. En ellos la resistencia al desgaste tiene como resultado un menor coste de mantenimiento. La calidad en las condiciones ciones de trabajo del personal ferroviario es otra razón importante para el uso de aceros avanzados de extra alta resistencorrederas, paneles divisorios y brazos de cierre hechos en acero de alta resis- tencia son más ligeros y fáciles de manipular. Estos aceros están también ganando terreno en la construcción de las estructuras de seguridad de las locomotoras, mejorando así la seguridad del cia. Las puertas conductor (Figura 15). Tatravagónka, fabricante eslovaco de ferrocarriles, redujo el peso de este vagón en una tonelada, utilizando aceros de ultra alta resistencia. 20 de 94
Figura 14. Distribución de los diferentes grados de aceros de alta resistencia en la carrocería de un automóvil. Figura 15. Locomotora fabricada con chapa de AHSS de 16 m de longitud. Contenedores de residuos.. Los camiones de recogida de residuos, así como los contenedores construidos total o parcialmente en aceros avanzados de ultra alta resistencia, representan una inversión amortizable a corto plazo. La mejora en resistencia permite reducir peso, aumentar la capacidad de carga y disminuir el número de viajes para una tarea concreto. Mediante la utilizade aceros avanzados de ultra alta resistencia, los ahorros en peso pueden llegar a ser de hasta un 40 %. Para un determinado nivel de carga útil, resulta obvio pensar en una disminución ción del consumo de combustible en el vehículo aligerado. Los costes de mantenimiento se reducen considerablemente, debido a la resistencia al desgaste del material y la posibilidad de simplificar el diseño utilizando menos refuerzos. La Compañía holandesa Hoogendoorn Container-Bouw B.V., utiliza aceros de ultra alta resistencia de 2 mm de espesor para sus contenedores de resi- duos y chatarra en lugar del acero suave de 4 5 mm utilizado anteriormente. Grúas. Las grúas y equipos de elevación son, desde hace tiempo, una de las aplicaciones más importantes de los aceros avanzados de alta resistencia. Los ahorros de peso conseguidos en las grúas móviles por el uso de aceros de alta resistencia, son particularmente importantes. La reducción de peso en las grúas montadas sobre camión hasta el mínimo posible, a la vez de aumentar su capacidad portante, resulta de vital importancia. Los brazos de las grúas móviles se construyen a menudo en aceros de extra alta resistencia. La capacidad de elevación de la mayor parte de otros tipos de grúas, tales como grúas para la construcción o de contenedores, puede incrementarse mediante el uso de un acero de extra alta resistencia en componentes vitales de la grúa. La Compañía sueca HIAB es una de las empresas líderes en la fabricación de grúas móviles, alrededor del 90 % de su exclusivo brazo de sección hexagonal, está fabricado con acero de extra alta resistencia de 5 10 mm de espesor. 21 de 94
Remolques. Fuertes razones económicas favorecen el uso de aceros avanzados de extra alta resistencia en la fabricación de camiones y remolques. Los ahorros en peso incrementan la capacidad de carga y/o el ahorro de combustible. El aumento de coste del remolque en acero de alta resistencia se recupera rápidamente y, a menudo, el propietario puede esperar un aumento de los ingresos anuales de varios miles de euros por remolque. No es inusual un ahorro del 20 % en peso al sustituir acero suave por un acero de alta resistencia o de ultra alta resistencia en los chasis y las bañeras de los camiones y remolques. En las industrias de movimiento de tierras existen otras ventajas económicas imputables a la mayor resistencia al desgaste de los aceros de alta resistencia. La utilización de acero de ultra alta resistencia para los laterales de la bañera del remolque Trailord en Sudáfrica, permitió la reducción del espesor del material a tan solo 1.5 mm. Asientos para trenes y autobuses. Cada kilo ahorrado en el peso de los vehículos para transy para la seguridad de los pasajeros (Ver Figura). Este es el motivo por el cual, los fabricantes de asientos utilizan aceros avanzados de alta resis- tencia en sus últimos productos. Los asientos tienen que ser capaces de resistir esfuerzos muy elevados en un eventual accidente. Por este motivo debe utilizarse un acero de alta resistencia porte público es importante económicamente (acero de fase dual laminado en frío) en las partes críticas de la estructura del asiento. Este ace- ro es utilizado en la fabricación de tubos, así como en las partes de chapa sometidas a un proceso de estampación. Los aceros de alta resistencia aumentan la vida útil de los asientos y reducen el riesgo de fatiga en el material, asociado a asientos construidos en aluminio y otros ligeros (Figura 16). El fabricante de asientos español Fainsa, redujo el peso de los asientos un 30 %, al utilizar acero de alta resistencia. Los ensayos han demostrado que la vida útil del nuevo asiento será de 7 años. Figura 16. Asiento trasero, el mismo peso que uno de aluminio pero con reducción de costes del 50%. Tubos y perfiles abiertos.. Los aceros avanzados de extra alta resistencia ofrecen grandes ventajas en todo tipo de aplicaciones en las que los tubos son partes vitales de las construcciootros métodos de construcción. El amplio espectro nes, o en la que los tubos pueden reemplazar de los aceros avanzados de alta resistencia puede utilizarse en aplicaciones de tubos soldados, maquinaria, grúas, andamios, componentes tubulares para chasis, armazones de edificios prebarreras anticolisión en carreteras u otras aplicaciones en las que la resistencia a la fabricados, corrosión es importante (Figura 17). El fabricante especialista de tubos Profilmec S.p.A. utiliza aceros de alta resistencia para producir los tubos empleados en asientos para vehículos y en la industria de mobiliario para la fabricación de sillas. 22 de 94