Propietats de l'acer per revenatge en premsa: Guia tècnica sobre resistència i conformabilitat

TL;DR

L'acer d'enduriment per pressió (PHS), també conegut com a acer estampat en calent o acer de bor, és una aliatge d'alta resistència extrema (típicament 22MnB5) dissenyat per a components de seguretat automotrius. S'aporta en estat malleable ferrític-perlític (resistència a la tracció ~300–600 MPa), però es transforma en una estructura martensítica excepcionalment dura (resistència a la tracció 1300–2000 MPa) després de ser escalfat a ~900°C i refredat ràpidament en un motlle refrigerat. Aquest procés elimina el retroces, permet geometries complexes i facilita una reducció significativa de pes en estructures crítiques davant xocs, com els pilars A i paragolses.

Què és l'acer d'enduriment per pressió (PHS)?

L'acer d'enduriment per pressió (PHS), freqüentment anomenat en la indústria automobilística com a acer estampat en calent o acer format en calent, representa una categoria d'acers aliats amb bor que passen per un procés especialitzat de formació tèrmica i mecànica. A diferència dels acers convencionals estampats en fred, que es formen a temperatura ambient, el PHS s'escalfa fins que arriba a un estat austenític i després es forma i es templa simultàniament dins d'una eina refredada.

La qualitat estàndard per a aquest procés és 22MnB5 , una aliatge de carboni-mangànes-bor. L'addició de bor (típicament entre 0,002–0,005%) és fonamental, ja que millora dràsticament la templabilitat de l'acer, assegurant que es pugui assolir una microestructura completament martensítica fins i tot amb velocitats de refredament moderades. Sense bor, el material podria transformar-se en fases més toves com ara bainita o perlita durant la fase de templat, sense aconseguir la resistència objectiu.

La transformació fonamental que dóna valor al PHS és microestructural. Lliurat com una fulla ferrítica-perlítica tova, el material és fàcil de tallar i manipular. Durant el procés de conformació a calent, s'escalfa per sobre de la seva temperatura d'austenització (normalment uns 900–950°C). Quan el tros calent es subjecta en la matriu, es refreda ràpidament (a velocitats superiors a 27°C/s). Aquest refredament ràpid evita la formació de microestructures més toves i transforma l'austenita directament en martensita , la forma més dura de l'estructura de l'acer.

Propietats mecàniques: en estat inicial vs. endurit

Per als enginyers i especialistes en compres, l'aspecte més crític de les propietats de l'acer de conformació a pressió és la diferència dràstica entre el seu estat inicial i el seu estat final. Aquesta dualitat permet una conformació complexa (quan és tou) i un rendiment extrem (quan és dur).

La taula següent compara les propietats mecàniques típiques del grau estàndard 22MnB5 abans i després del procés de conformació a pressió:

Anàlisi de la resistència a la fluència: La resistència a la fluència normalment es triplica durant el procés. Tot i que el material en estat d'entrega es comporta de manera similar a l'acer estructural convencional, el component acabat esdevé rígid i resistent a la deformació, cosa que el fa ideal per a cabines de seguretat antiintrusió.

Duresa i mecanitzabilitat: La duresa final de 470–510 HV fa que el tall mecànic o el punxonat siguin extremadament difícils i propensos al desgast d'eines. Per tant, la majoria d'operacions de tall en peces PHS acabades es realitzen mitjançant tall làser (vegeu Dades tècniques de SSAB ) o amb motlles especials de tall dur just abans que la peça s'escampi completament.

Graus habituals de PHS i composició química

Tot i que l'22MnB5 continua sent el material estrella de la indústria, la demanda de components encara més lleugers i resistents ha dut al desenvolupament de diverses variants. Els enginyers solen seleccionar les qualitats segons l'equilibri entre resistència màxima i ductilitat necessària per a l'absorció d'energia.

• PHS1500 (22MnB5): La qualitat estàndard amb una resistència a la tracció d'aproximadament 1500 MPa. Conté aproximadament un 0,22 % de carboni, un 1,2 % de manganès i traces de bor. Combina resistència amb suficient tenacitat per a la majoria d'aplicacions de seguretat.
• PHS1800 / PHS2000: Qualitats més noves d'ultraalta resistència que augmenten la resistència a la tracció fins a 1800 o 2000 MPa. Aquestes assolen una resistència superior mitjançant un contingut lleugerament més alt de carboni o aliatges modificats (per exemple, silici/niobi), però poden tenir menys tenacitat. S'utilitzen en peces on la resistència a la intrusió és l'única prioritat, com ara travesses de paragolpes o rails de sostre.
• Qualitats dúctils (PHS1000 / PHS1200): També coneguts com aacers temperats per pressió (PQS), aquests graus (com PQS450 o PQS550) estan dissenyats per mantenir una major elongació (10-15%) després del templat. Sovint s'utilitzen en zones "més toves" d'un pilar B per absorbir l'energia del xoc en lloc de transmetre-la.

La composició química es controla estrictament per evitar problemes com l'embrittlement per hidrogen, especialment en els graus d'alta resistència. El contingut de carboni generalment es manté per sota del 0,30% per assegurar una soldabilitat raonable.

Revestiments i resistència a la corrosió

L'acer sense revestiment s'oxida ràpidament quan es calenta a 900 °C, formant una escòria dura que deteriora les motlles d'estampació i requereix neteja abrasiva (sandblasting) després de la conformació. Per evitar això, la majoria d'aplicacions modernes de PHS utilitzen fulles prè-revestides.

Alumini-Silici (AlSi): Aquest és el recobriment dominant per al estampat directe en calent. Evita l'escorça durant el escalfament i proporciona protecció contra la corrosió de tipus barrera. La capa d'AlSi forma una aliaje amb el ferro de l'acer durant la fase d'escalfament, creant una superfície robusta que suporta la fricció de lliscament de la matriu. A diferència del zinc, no ofereix protecció galvànica (autocurativa).

Recobriments de Zinc (Zn): Els recobriments basats en zinc (galvanitzats o galvannealitzats) ofereixen una protecció catòdica contra la corrosió superior, cosa valuosa per a peces exposades a ambients humits (com els passa-rodes). Tanmateix, l'estampat en calent convencional pot provocar Embrittlement per metall líquid (LME) , on el zinc líquid penetra als límits de grà dins l'acer causant microfissures. Sovint es requereixen processos especialitzats "indirectes" o tècniques de "prè-refredament" per gestionar de manera segura l'PHS recobert de zinc.

Avantatges tècnics principals

L'adopció de les propietats de l'acer termoendurit ha estat motivada per reptes d'enginyeria específics en el disseny de vehicles. El material ofereix solucions que els acers d'alta resistència estampats a fred (HSLA) o els acers bifàsics (DP) no poden igualar.

• Extrema reducció de pes: Mitjançant l'ús de resistències de 1500 MPa o superiors, els enginyers poden reduir el gruix de les peces (reducció de gruix) sense comprometre la seguretat. Una peça que abans tenia 2,0 mm de gruix en acer estàndard es pot reduir a 1,2 mm en PHS, estalviant un pes significatiu.
• Zero recuperació elàstica: En l'estampat a fred, els acers d'alta resistència tendeixen a "recuperar-se" cap a la seva forma original quan s'obre el motlle, dificultant la precisió dimensional. L'acer termoendurit es forma quan està calent i tou (austenita) i s'endureix mentre està confinat al motlle. Això bloqueja la geometria en la posició desitjada, resultant en una pràcticament zero recuperació elàstica i una precisió dimensional excepcional.
• Geometries complexes: Com que el formateig té lloc quan l'acer és dúctil (~900°C), es poden formar formes complexes amb extrusions profundes i radis ajustats en una sola passada—geometries que es partirien o es fenderien si s'intentessin amb acer ultra resistent fred.

Aplicacions automotrius típiques

L'PHS és el material d'elecció per a la "cabina de seguretat" dels vehicles moderns—l'estructura rígida dissenyada per protegir els ocupants durant un xoc, evitant la intrusió a la cabina.

Components crítics

Aplicacions habituals inclouen Pilars A, pilars B, rails de sostre, reforços de túnel, llaterals de baixell i bigues antipenetració de portes . Més recentment, els fabricants han començat a integrar PHS en recobriments de bateries per a vehicles elèctrics per protegir els mòduls contra impactes laterals.

Propietats Adaptades

La fabricació avançada permet el "tempering personalitzat", on zones específiques d'una peça única (com la part inferior d'un pilar B) es refreden més lentament per romandre toves i dúctils, mentre que la secció superior esdevé completament dura. Aquesta combinació optimitza la peça tant per resistir la intrusió com per absorbir energia.

Per als fabricants que volen implementar aquests materials avançats, associar-se amb fabricants especialitzats és essencial. Empreses com Shaoyi Metal Technology ofereixen solucions integrals de peces estampades per a l'automoció, capaces de gestionar requisits d'altes tones (fins a 600 tones) i de controlar les necessitats precises d'eines per a components automotrius complexos, des del prototipatge ràpid fins a la producció massiva segons els estàndards IATF 16949.

Conclusió

Les propietats de l'acer per durició en premsa representen una sinergia vital entre metal·lúrgia i procés de fabricació. Aprofitant la transformació de fase de ferrita a martensita, els enginyers aconsegueixen un material prou formable per a dissenys complexos i alhora prou resistent per protegir vides. A mesura que els graus evolucionen cap als 2000 MPa i més enllà, l'acer per durició en premsa continuarà sent una peça clau en les estratègies de seguretat i lleugeritat automotriu.

Preguntes freqüents

1. Quina és la diferència entre estampació en calent i durició en premsa?

No hi ha cap diferència; els termes s'utilitzen indistintament. «Temperatura per premsa» fa referència al procés de durció metal·lúrgica que té lloc a la premsa, mentre que «estampació en calent» fa referència al mètode de conformació. Tots dos descriuen la mateixa seqüència de fabricació utilitzada per produir peces d'acer martensític d'alta resistència.

2. Per què s'afegeix bor a l'acer de temperat per premsa?

El bor s'afegeix en petites quantitats (0,002–0,005%) per augmentar significativament la capacitat de temprabilitat de l'acer. Retarda la formació d'estructures microscòpiques més toves com la ferrita i la perlita durant el refredament, assegurant que l'acer es transformi completament en martensita dura fins i tot amb les velocitats de refredament assolides en motlles d'estampació industrials.

3. Es pot soldar l'acer temperat per premsa?

Sí, el PHS és soldable, però requereix paràmetres específics. Com que el material té normalment un contingut de carboni d'aproximadament el 0,22%, és compatible amb la soldadura per resistència (RSW) i la soldadura làser. Tanmateix, la soldadura suavitza lleugerament la zona afectada tèrmicament (HAZ), fet que cal tenir en compte en el disseny. Pel que fa als acers revestits amb AlSi, el revestiment s'ha de retirar (mitjançant ablació làser) o gestionar amb cura durant la soldadura per evitar la contaminació del bany de soldadura.