TL;DR

Els acers bifàsics (DP) són acers d'alta resistència avançats (AHSS) caracteritzats per una microestructura formada per illots de martensita dura distribuïts en una matriu de ferrita tou. Aquesta combinació única ofereix una relació baixa entre límit elàstic i resistència a la tracció (~0,6) i una taxa elevada inicial d'enduriment per deformació (valor n), fet que els fa ideals per a estampacions automotrius complexes que requereixen tant conformabilitat com resistència en cas d'impacte. Tanmateix, l'estampatge exitós exigeix gestionar els significatius riscos de recuperació elàstica (springback) i fissuració en vores. Els enginyers han de fer servir clares de punzó més grans, normalment entre un 12% i un 14%, i utilitzar utillatges més rígids amb recobriments avançats com ara TiC o CrN per suportar les càrregues elevades i les taxes de desgast.

Microestructura i Propietats Mecàniques

El valor tècnic de l'acer de doble fase rau en la seva microestructura distintiva de dues fases. A diferència dels acers d'alta resistència i baixa aliatge (HSLA), que depenen del duriment per precipitació, els acers DP obtenen les seves propietats d'una estructura composta: una matriu de ferrita tova contínua que proporciona ductilitat, i illes martensítiques dures disperses que aporten resistència. Durant la deformació, la deformació es concentra en la fase de ferrita més tova que envolta la martensita, resultant en una taxa elevada de duriment inicial (valor n).

Aquesta microestructura crea un perfil de comportament mecànic optimitzat específicament per a la conformació a fred. Mentre que les qualitats HSLA solen presentar una relació resistència a la fluència-resistència a la tracció (YS/TS) d'aproximadament 0,8, els acers DP mantenen una relació molt més baixa d'aproximadament 0,6. Aquest límit elàstic més baix permet que la deformació plàstica comenci abans, facilitant la formació de formes complexes abans que el material arribi al seu límit de tracció màxim. L'Observador del Fabricant que aquest alt valor de n és especialment pronunciat en rangs de deformació més baixos (4–6%), el que ajuda a distribuir la deformació de manera uniforme al llarg de la peça i evita l'estrictegament localitzat al principi de la cursa de la premsa.

Els graus comercials habituals—com ara DP590, DP780 i DP980—es defineixen segons les seves resistències mínimes a la tracció (en MPa). A mesura que augmenta la fracció de volum de martensita, també ho fa la resistència a la tracció, però la ductilitat disminueix naturalment. Els enginyers han de trobar un equilibri entre aquests factors, sovint triant fraccions més baixes de martensita per a peces embutides profundament i fraccions més altes per a rails estructurals on el rendiment contra la intrusió és fonamental.

Desafiaments en l'embolcall: Retrocés i fissuració del cantell

La característica que fa que l'acer DP sigui tan desitjable —la seva elevada taxa d'enduriment per deformació— introdueix el seu principal defecte de fabricació: el retroces. Com que el material s'endureix ràpidament durant la deformació, l'esforç de recuperació elàstica emmagatzemat a la peça és significativament més alt que en els acers suaus. Això es manifesta com una curvatura de les parets laterals i un canvi angular un cop la peça ha estat extreta del motlle, dificultant la precisió dimensional necessària per al muntatge.

Per reduir el retroces, els enginyers de procés emplen diverses estratègies de disseny de motlles. Sobreelevació les superfícies del motlle permet que el material es relaxi fins a assolir la geometria correcta. A més, dissenyar nervis a les parets o reforços pot fixar la geometria en la posició adequada. Una tècnica més avançada consisteix a aplicar una alta deformació al final de la cursa de la premsa per reduir les tensions compressives residuals, fixant efectivament la forma.

La fissuració de vores és un altre mode de fallada crític, especialment durant operacions d'embutició de vores. La diferència de duresa entre la ferrita tova i la martensita dura crea concentracions de tensió a les vores tallades, provocant microcavitats que poden coalescer en fissures. SSAB recomana utilitzar graus especialitzats «Dual Phase High Formability» (DH) per a geometries que requereixin embutició profunda o vores estirades. Aquests graus AHSS de tercera generació utilitzen microestructures assistides per TRIP (amb austenita retinguda) per mantenir la conformabilitat a nivells de deformació més elevats, oferint una resistència superior a la fissuració de vores en comparació amb els graus DP estàndard.

Directrius de Disseny d'Eines i Matrius

Embutir acer Dual Phase requereix repensar fonamentalment els paràmetres estàndard d'eines utilitzats per a acers suaus o HSLA. L'ajustament més crític és el joc del punzó. Els jocs estàndard d'aproximadament el 9% del gruix del metall sovint provoquen fissuració severa de vores en els acers DP degut a l'elevada resistència al tall del material.

Dades de Tata Steel demostra que l'augment del joc de punçó a 12–14%millora significativament la qualitat del cant. En un estudi de cas, l'augment del joc del 9% al 12% va reduir les taxes de fissuració de peces del 22% a gairebé zero. Aquest espai major canvia l'estat de tensió al cant de tall, reduint la tendència que les microfissures es propaguin cap a la brida.

El desgast de l'eina també s'accelera. Les altes pressions de contacte necessàries per conformar l'acer DP—sovint superiors a 600 tones per components estructurals—poden provocar gripatge i una ràpida degradació del motlle. Cal recobrir els acers per eines amb tractaments superficials durs i de baixa fricció, com el carbure de titani (TiC) o el nitrur de crom (CrN), per allargar els intervals de funcionament. A més a més, la premsa ha de tenir prou rigidesa per evitar la deflexió sota aquestes altes càrregues, cosa que altrament comprometria les toleràncies de les peces.

Per als fabricants que enfronten aquestes exigències elevades d'equipament, associar-se amb un proveïdor especialitzat en fabricació és sovint el camí més eficient. Shaoyi Metal Technology ofereix solucions integral de punxonat que cobren la distància entre la prototipatge i la producció massiva. Amb capacitats de premsa fins a 600 tones i certificació IATF 16949, estan preparats per gestionar els rigorosos requisits de tonatge i precisió de l'acer d'alta resistència avançat com els graus DP i DH per a components crítics com braços de control i substructures.

Enduriment per cuita i rendiment final

Una de les avantatges ocultes de l'acer de doble fase és l'efecte d'"enduriment per cuita" (BH). Aquest fenomen es produeix durant el cicle de curat de pintura automobilística, típicament al voltant dels 170°C durant 20 minuts. Durant aquest procés tèrmic, els àtoms de carboni lliures en la microestructura de l'acer es difonen i fixen les dislocacions generades durant l'estampat.

Aquest mecanisme provoca un augment substancial de la resistència a la tracció, que sol incrementar-se entre 50 i 100 MPa, sense afectar les dimensions de la peça. Aquest guany d'efectivitat estàtica permet als enginyers automotrius "reduir el gruix" (utilitzar materials més fins) per minvar el pes del vehicle, alhora que asseguren que la peça final compleix els objectius de seguretat en cas d'impacte. La combinació de l'enduriment per deformació procedent de la premsa i l'enduriment tèrmic procedent de la cabina de pintura confereix al component final una capacitat excepcional d'absorció d'energia, fet que converteix l'acer DP en l'opció estàndard per a components de la cabina de seguretat com els pilars B, rails de sostre i travessers.

Conclusió: Optimització per a la producció d'acers avançats d'alta resistència (AHSS)

L'acer de fase dual representa un punt d'equilibri clau en l'enginyeria automobilística moderna, ja que ofereix la resistència necessària per complir amb les normatives de seguretat i la ductilitat requerida per garantir la viabilitat manufacturera. Tot i que aquest material comporta reptes concrets, especialment en relació amb la gestió del retorn elàstic i el desgast de les eines, aquests poden superar-se eficaçment mitjançant un disseny d'estampes basat en dades i una selecció adequada de premses. Respectant la física única de la microestructura ferrita-martensita i ajustant paràmetres com l'obertura de l'embutició al rang recomanat del 12–14 %, els fabricants poden aprofitar al màxim el potencial d'aquest material versàtil en estalvi de pes i rendiment.

Preguntes freqüents

1. Com difereix l'acer de fase dual de l'acer HSLA?

Mentre que els acers d'alta resistència i baixa aliatge (HSLA) depenen d'elements d'aliatge en microquantitats per la durció per precipitació, els acers de fase dual (DP) es basen en una microestructura bifàsica de ferrita i martensita. Això proporciona als acers DP una relació límit elàstic a tracció més baixa (~0,6 vs 0,8 per a HSLA) i una taxa inicial d'enduriment per deformació més elevada, permetent una millor conformabilitat a resistències a la tracció equivalents.

2. Quina és la separació recomanada de l'embutició per punxonar acer DP?

Les separacions estàndard d'embutició utilitzades per a l'acer suau (aproximadament el 9 %) solen ser massa ajustades per a l'acer DP i poden provocar fissuració en les vores. Les millors pràctiques del sector recomanen augmentar la separació d'embutició al 12–14%del gruix del material per millorar la qualitat de la vora i la vida útil de l'eina.

3. Què provoca el retroces en l'acer de fase dual?

El retorn elàstic és causat per l'alta recuperació elàstica del material després de la conformació. L'elevada taxa d'enduriment per deformació de l'acer DP fa que emmagatzemi una energia elàstica significativa durant la deformació. Quan el motlle s'obre, aquesta energia es allibera, provocant que la peça retorni o es cargoli. Això s'ha de compensar mitjançant un sobre-arrodoniment o un repicat en el disseny del motlle.

4. Es pot soldar l'acer de doble fase?

Sí, generalment els acers DP tenen bona soldabilitat, però cal considerar l'equivalent de carboni específic. Tot i que les qualitats de menor resistència (DP590) es poden soldar fàcilment per punts, les qualitats d'alta resistència (DP980 i superiors) poden requerir ajustos als paràmetres de soldadura, com ara una força d'elèctrode més elevada o programes de polsos específics, per evitar fractures fràgils a la zona afectada tèrmicament per la soldadura.