Por Hernán Lorusso – Alejandro Burgueño – Hernán Svoboda
El Centro INTI-Mecánica estudió las propiedades mecánicas y la microestructura de diferentes aceros con el fin de obtener el tipo de material que exige hoy la industria automotriz: un acero más resistente para disminuir peso, consumo de combustible y emisiones, y con más seguridad.
En los últimos años, la industria automotriz ha promovido numerosos desarrollos relacionados con la tecnología y fabricación de nuevos aceros vinculados con la disminución de peso y el aumento de la seguridad de vehículos. En este sentido, los Aceros de Alta Resistencia Avanzados (AHSS) han capturado una importante atención, sin embargo, junto con las ventajas que proveen estos nuevos aceros, surge la necesidad de generar conocimiento sobre el comportamiento de estos materiales en aspectos como conformabilidad y soldabilidad. Dentro de los AHSS se identifican dos familias. La primera es la de los aceros de alta resistencia con una mayor conformabillidad para diseños que involucren partes más complejas: los aceros denominados Dual Phase (DP). En el otro grupo se encuentran, por ejemplo, los aceros con Transformación Inducida por Plasticidad (TRIP).
Estos aceros de última generación se aplican en partes estructurales para la industria automotriz, presentando una alta resistencia mecánica del orden de 600 a 1000 MPa (megapascal, unidad de medida para esfuerzos mecánicos), manteniendo muy buena conformabilidad. Sin embargo, existen diversos materiales base, tales como aceros microaleados, aceros de grano ultrafino y aceros al C-Mn, entre otros, a partir de los cuales pueden obtenerse dichos aceros Dual Phase, siendo escasos los estudios sistemáticos realizados al respecto. En esta dirección, el Centro INTI-Mecánica se propuso estudiar los aceros Dual Phase obtenidos a partir de diferentes materiales (acero al C-Mn, acero microaleado al Ti-Nb y acero microaleado al Nb) con los objetivos de estudiar las transformaciones de fase de los aceros base, obtener diversos grados de aceros DP, realizar la caracterización microestructural y mecánica, y evaluar la soldabilidad y conformabilidad de estos materiales. Este estudio busca, a su vez, generar información de interés tecnológico que permita la utilización industrial de este tipo de materiales en diversas aplicaciones.
Aplicaciones de los aceros DP estudiados por INTI-Mecánica en componentes estructurales para la industria automotriz. Propiedades de los aceros DP
Los aceros Dual Phase (DP) consisten en una matriz ferrítica que contiene una fracción variable de fase martensítica de alta dureza. La fracción de segunda fase martensítica aumenta a medida que crece la resistencia deseada del acero. La fase ferrítica blanda es generalmente continua, proveyendo una excelente ductilidad. Cuando estos aceros se conforman, la deformación se concentra en la fase ferrítica blanda, rodeando las “islas” de martensita, y generando así una alta tasa de endurecimiento por deformación para estos materiales.
Esto sumado a un excelente alargamiento a rotura provee a estos aceros una mayor resistencia a la tracción que a los aceros convencionales con similar límite de fluencia.
Los aceros DP también presentan un efecto de endurecimiento por precipitación (bake hardening) que se constituye en un beneficio importante en relación a otros aceros convencionales. En estos aceros, los contenidos de carbono y otros elementos de aleación (Mn, Cr, Mo, Ti, Nb, V y Ni) permiten la formación de martensita a velocidades de enfriamiento aceptables debido a su efecto en la templabilidad del material. El C controla la dureza de la martensita. A su vez, el tamaño de grano de la matriz ferrítica es otro de los parámetros que controlan el endurecimiento y la buena tenacidad de estos materiales.
Estudio y metodología
Este trabajo se llevó a cabo a partir del estudio de cuatro aceros en chapa fina de 1 y 1,3 mm de espesor, tres de ellos microaleados y uno convencional al C-Mn. Se determinó la composición química de los materiales base a emplear y se analizaron las transformaciones de fase mediante análisis dilatométrico (DA) para cada caso, obteniéndose las temperaturas críticas superior (AC3) e inferior (AC1). Se realizaron barridos de tratamientos térmicos en un rango específico de temperaturas para obtener diferentes grados de aceros Dual Phase, en función de la fracción de martensita transformada para cada material base. A su vez se realizó la caracterización microestructural mediante microscopía óptica (LM) y electrónica de barrido (SEM) para determinar la cuantificación microestructural, y se obtuvieron las propiedades en tracción, microdureza y embutido, para cada caso. A partir de los resultados obtenidos se analizó el efecto del material base en la evolución microestructural y en las propiedades mecánicas de los aceros DP obtenidos, analizando los mecanismos involucrados en cada caso.
Algunos resultados y aplicaciones
Este estudio permitió obtener aceros Dual Phase a partir de cuatro aceros de base diferentes y evaluar las transformaciones de fase y las propiedades mecánicas en cada caso. Las mejores propiedades se obtuvieron para los aceros DP obtenidos a partir de aceros microaleados. Este hecho estaría asociado al menor tamaño de grano ferrítico y a la más fina dispersión de la fase martensítica. Para obtener aceros DP de alta resistencia (>600MPa) sería recomendable el uso de este tipo de materiales, de costo relativamente bajo y disponibilidad en el mercado local. Asimismo, para la obtención de aceros DP de menor resistencia (hasta 500MPa), los aceros al carbono manganeso convencionales, de menor costo y también gran disponibilidad en el mercado local, pueden proveer buenos resultados.
A su vez, entre otros resultados, se obtuvieron expresiones que relacionan la dureza, la resistencia a la tracción, el porcentaje de martensita y la temperatura de tratamiento térmico, para cada uno de los aceros evaluados. A partir de estos resultados se puede desarrollar la ruta de fabricación de diferentes aceros DP en función de las propiedades deseadas. Esto constituye una información de gran interés tecnológico.
Los resultados demuestran que es posible obtener aceros avanzados de alta resistencia adecuados a las exigencias actuales de la industria automotriz, a partir de aceros que se fabrican actualmente en nuestro país, con una incorporación de tecnología marginal por parte las siderúrgicas, respecto de la ruta de fabricación. Como ya se ha demostrado, el uso de este tipo de materiales permite la utilización de menores espesores, llevando a una disminución del peso final del vehículo y por lo tanto a un ahorro en el consumo de combustible, como así también la disminución de las emisiones gaseosas. A su vez, absorben una mayor cantidad de energía en un impacto, incrementando la seguridad del vehículo. (SABER COMO)
