Propiedades del Acero de Endurecimiento en Prensa: Guía Técnica sobre Resistencia y Formabilidad

TL;DR

El acero de endurecimiento por presión (PHS), también conocido como acero estampado en caliente o acero al boro, es una aleación de ultra alta resistencia (típicamente 22MnB5) diseñada para componentes de seguridad automotrices. Se suministra en estado maleable ferrítico-perlítico (resistencia a la fluencia ~300–600 MPa), pero se transforma en una estructura martensítica excepcionalmente dura (resistencia a la tracción de 1300–2000 MPa) tras ser calentado a ~900 °C y enfriado mediante temple en un molde refrigerado. Este proceso elimina el rebote elástico, permite geometrías complejas y posibilita una reducción significativa de peso en estructuras críticas de choque como pilares A y paragolpes.

¿Qué es el acero de endurecimiento por presión (PHS)?

El acero de endurecimiento por prensado (PHS), frecuentemente denominado en la industria automotriz como acero estampado en caliente o acero formado en caliente, representa una categoría de aceros aleados con boro que pasan por un proceso térmico y mecánico especializado. A diferencia de los aceros estampados en frío convencionales, que se forman a temperatura ambiente, el PHS se calienta hasta alcanzar un estado austenítico y luego se forma y temple simultáneamente dentro de una herramienta refrigerada.

La calidad estándar para este proceso es 22MnB5 , una aleación de carbono-manganeso-boro. La adición de boro (típicamente entre 0,002–0,005 %) es fundamental, ya que mejora drásticamente la templabilidad del acero, asegurando que pueda obtenerse una microestructura completamente martensítica incluso a velocidades de enfriamiento moderadas. Sin boro, el material podría transformarse en fases más blandas como bainita o perlita durante la fase de temple, sin alcanzar la resistencia deseada.

La transformación fundamental que otorga valor al acero de conformado en caliente (PHS) es microestructural. Suministrado como una chapa blanda ferrito-perlítica, el material es fácil de cortar y manipular. Durante el proceso de conformado en caliente, se calienta por encima de su temperatura de austenización (típicamente alrededor de 900–950 °C). Cuando la preforma caliente se sujeta en el molde, se enfría rápidamente (a tasas superiores a 27 °C/s). Este enfriamiento rápido evita la formación de microestructuras más blandas y transforma directamente la austenita en martensita martensita, la forma más dura de la estructura del acero.

Propiedades mecánicas: estado suministrado frente a estado endurecido

Para ingenieros y especialistas de compras, el aspecto más crítico de las propiedades del acero de conformado en caliente es la diferencia dramática entre su estado inicial y su estado final. Esta dualidad permite un conformado complejo (cuando está blando) y un rendimiento extremo (cuando está duro).

La tabla siguiente compara las propiedades mecánicas típicas del grado estándar 22MnB5 antes y después del proceso de conformado en caliente:

Análisis de resistencia a la fluencia: La resistencia a la fluencia normalmente se triplica durante el proceso. Mientras que el material en estado suministrado se comporta de forma similar al acero estructural estándar, el componente terminado se vuelve rígido y resistente a la deformación, lo que lo hace ideal para jaulas de seguridad antiintrusión.

Dureza y mecanizabilidad: La dureza final de 470–510 HV hace que el recorte mecánico o punzonado sea extremadamente difícil y propenso al desgaste de herramientas. Por consiguiente, la mayoría de las operaciones de recorte en piezas PHS terminadas se realizan mediante corte por láser (véase Datos técnicos de SSAB ) o matrices especiales de recorte en caliente inmediatamente antes de que la pieza se enfríe completamente.

Grados comunes de PHS y composición química

Aunque el 22MnB5 sigue siendo el grado dominante en la industria, la demanda de componentes aún más ligeros y resistentes ha llevado al desarrollo de varias variantes. Los ingenieros suelen seleccionar los grados en función del equilibrio entre la resistencia máxima y la ductilidad necesaria para la absorción de energía.

• PHS1500 (22MnB5): La calidad estándar con una resistencia a la tracción de aproximadamente 1500 MPa. Contiene aproximadamente 0,22 % de carbono, 1,2 % de manganeso y trazas de boro. Ofrece un equilibrio entre resistencia y tenacidad suficiente para la mayoría de aplicaciones de seguridad.
• PHS1800 / PHS2000: Calidades más recientes de ultra alta resistencia que aumentan la resistencia a la tracción hasta 1800 o 2000 MPa. Estas consiguen mayor resistencia mediante un ligero aumento del contenido de carbono o una aleación modificada (por ejemplo, silicio/niobio), pero pueden tener menor tenacidad. Se utilizan en piezas donde la resistencia a la intrusión es la única prioridad, como vigas de paragolpes o rieles de techo.
• Calidades dúctiles (PHS1000 / PHS1200): También conocidas como aceros templados por prensado (PQS), estas calidades (como PQS450 o PQS550) están diseñadas para mantener una mayor elongación (10-15 %) tras el endurecimiento. A menudo se utilizan en zonas "blandas" de un pilar B para absorber la energía del impacto en lugar de transmitirla.

La composición química está estrictamente controlada para prevenir problemas como la fragilización por hidrógeno, especialmente en los grados de mayor resistencia. El contenido de carbono generalmente se mantiene por debajo del 0,30 % para conservar una soldabilidad razonable.

Recubrimientos y resistencia a la corrosión

El acero sin recubrir se oxida rápidamente cuando se calienta a 900 °C, formando una capa dura que daña las matrices de estampado y requiere limpieza abrasiva (chorreado con perdigones) después del conformado. Para evitar esto, la mayoría de las aplicaciones modernas de PHS utilizan chapas pre-recubiertas.

Aluminio-Silicio (AlSi): Este es el recubrimiento dominante para el estampado en caliente directo. Evita la formación de óxido durante el calentamiento y proporciona protección contra la corrosión por barrera. La capa de AlSi forma una aleación con el hierro del acero durante la fase de calentamiento, creando una superficie robusta que soporta la fricción deslizante del troquel. A diferencia del zinc, no ofrece protección galvánica (autoreparable).

Recubrimientos de Zinc (Zn): Los recubrimientos a base de zinc (galvanizados o galvannealizados) ofrecen una protección catódica superior contra la corrosión, lo cual es valioso para piezas expuestas a ambientes húmedos (como los bajos laterales). Sin embargo, el estampado en caliente estándar puede causar Embrittlement por Metal Líquido (LME) , donde el zinc líquido penetra en los límites de grano del acero provocando microgrietas. A menudo se requieren procesos especializados "indirectos" o técnicas de "pre-enfriamiento" para manejar de forma segura el acero prensado en caliente con recubrimiento de zinc.

Ventajas Ingenieriles Clave

La adopción de las propiedades del acero prensado en caliente ha sido impulsada por desafíos ingenieriles específicos en el diseño de vehículos. Este material ofrece soluciones que los aceros aleados de alta resistencia conformados en frío (HSLA) o los aceros bifásicos (DP) no pueden igualar.

• Reducción Extrema de Peso: Al utilizar resistencias de 1500 MPa o superiores, los ingenieros pueden reducir el espesor de las piezas (reducción de calibre) sin comprometer la seguridad. Una pieza que antes tenía 2,0 mm de espesor en acero estándar podría reducirse a 1,2 mm en PHS, ahorrando un peso significativo.
• Cero recuperación elástica: En el estampado en frío, los aceros de alta resistencia tienden a "recuperar" su forma original después de que la matriz se abre, lo que dificulta la precisión dimensional. El PHS se forma cuando está caliente y blando (austenita) y se endurece mientras está restringido en la matriz. Esto fija la geometría en su lugar, resultando en prácticamente cero recuperación y una precisión dimensional excepcional.
• Geometrías Complejas: Dado que el conformado ocurre cuando el acero es maleable (~900°C), se pueden formar formas complejas con profundas embuticiones y radios ajustados en una sola pasada—geometrías que se romperían o agrietarían si se intentaran con acero ultra alto resistente en frío.

Aplicaciones Automotrices Típicas

El PHS es el material preferido para la "jaula de seguridad" de vehículos modernos: la estructura rígida diseñada para proteger a los ocupantes durante un choque al evitar la intrusión en la cabina.

Componentes críticos

Aplicaciones estándar incluyen Pilares A, pilares B, rieles de techo, refuerzos de túnel, paneles laterales (rocker panels) y vigas antihundimiento para puertas - ¿ Qué? Más recientemente, los fabricantes han comenzado a integrar PHS en las carcasas de las baterías de los vehículos eléctricos para proteger los módulos de los impactos secundarios.

Propiedades Personalizadas

La fabricación avanzada permite el "Templado a medida", donde las zonas específicas de una sola parte (como la parte inferior de un pilar B) se enfrían más lentamente para permanecer suaves y dúctiles, mientras que la sección superior se vuelve completamente dura. Esta combinación optimiza la pieza para resistir la intrusión y absorber energía.

Para los fabricantes que buscan implementar estos materiales avanzados, es esencial asociarse con fabricantes especializados. Empresas como Shaoyi Metal Technology ofrecer soluciones integrales de piezas de estampado automático, capaces de manejar requisitos de gran tonelaje (hasta 600 toneladas) y gestionar las necesidades de herramientas precisas para componentes automotrices complejos, desde la creación de prototipos rápidos hasta la producción en serie según las normas IATF 16949

Conclusión

Las propiedades del acero de endurecimiento por prensado representan una sinergia fundamental entre la metalurgia y el proceso de fabricación. Al aprovechar la transformación de fase de ferrita a martensita, los ingenieros logran un material lo suficientemente maleable para diseños complejos y, al mismo tiempo, lo suficientemente resistente para proteger vidas. A medida que los grados evolucionan hacia 2000 MPa y más allá, el PHS seguirá siendo un pilar fundamental en las estrategias de seguridad automotriz y ligereza.

Preguntas Frecuentes

1. ¿Cuál es la diferencia entre estampado en caliente y endurecimiento por prensado?

No hay ninguna diferencia; los términos se usan indistintamente. "Endurecimiento por prensado" hace referencia al proceso metalúrgico de endurecimiento que ocurre en la prensa, mientras que "estampado en caliente" se refiere al método de conformado. Ambos describen la misma secuencia de fabricación utilizada para producir piezas de acero martensítico de alta resistencia.

2. ¿Por qué se añade boro al acero de endurecimiento por prensado?

Se añade boro en pequeñas cantidades (0,002–0,005 %) para aumentar significativamente la templabilidad del acero. Retrasa la formación de microestructuras más blandas como la ferrita y la perlita durante el enfriamiento, asegurando que el acero se transforme completamente en martensita incluso con las velocidades de enfriamiento alcanzadas en matrices industriales de estampado.

3. ¿Se puede soldar el acero prensado endurecido?

Sí, el PHS se puede soldar, pero requiere parámetros específicos. Dado que el material normalmente tiene un contenido de carbono de aproximadamente 0,22 %, es compatible con la soldadura por resistencia por puntos (RSW) y con la soldadura láser. Sin embargo, la soldadura ablanda ligeramente la Zona Afectada por el Calor (HAZ), lo cual debe tenerse en cuenta en el diseño. En el caso de aceros recubiertos con AlSi, el recubrimiento debe eliminarse (mediante ablación láser) o gestionarse cuidadosamente durante la soldadura para evitar la contaminación del baño de soldadura.