Propiedades do Acero de Endurecemento en Prensa: Guía Técnica sobre Resistencia e Formabilidade

RESUMO

O acero de endurecemento por prensado (PHS), tamén coñecido como acero estampado en quente ou acero de boro, é unha aleación de ultra alta resistencia (normalmente 22MnB5) deseñada para compoñentes de seguridade automotriz. Proporciónase nun estado maleable ferrítico-perlítico (resistencia ao escoamento ~300–600 MPa), pero transforma nunha estrutura martensítica excepcionalmente dura (resistencia á tracción 1300–2000 MPa) despois de ser quentado a ~900°C e temperado nun molde refrigerado. Este proceso elimina o retroceso elástico, permite xemetrias complexas e posibilita unha redución significativa de peso en estruturas críticas para choques como pilastras A e paragolpes.

Que é o acero de endurecemento por prensado (PHS)?

O acero de endurecemento por prensado (PHS), coñecido frecuentemente na industria do automóbil como acero estampado en quente ou acero formado en quente, representa unha categoría de acos aliados con boro que pasan por un proceso térmico e de formación mecánica especializado. Ao contrario que os acos estampados en frío convencionais, que se forman a temperatura ambiente, o PHS cálientase ata acadar un estado austenítico e despois fórmaselle e templese simultaneamente dentro dunha ferramenta refrigerada.

A calidade estándar para este proceso é 22MnB5 , unha aleación de carbono-manganeso-boro. A incorporación de boro (normalmente entre 0,002–0,005 %) é fundamental xa que mellora drasticamente a templabilidade do acero, asegurando que se poida acadar unha microestrutura totalmente martensítica incluso con velocidades de arrefriamento moderadas. Sen boro, o material podería transformarse en fases máis brandas como a bainita ou a perlita durante a fase de temple, sen acadar a resistencia desexada.

A transformación fundamental que lle dá valor ao PHS é microestrutural. Ofrecido como unha chapa ferrítica-perlítica branda, o material é doado de cortar e manipular. Durante o proceso de estampado en quente, quentase por riba da súa temperatura de austenitización (normalmente arredor de 900–950°C). Cando a peza quente se preme no molde, enfríase rapidamente (a taxas superiores a 27°C/s). Este arrefriamento rápido evita a formación de microestruturas máis brandas e transforma directamente a austenita en martensita , a forma máis dura da estrutura do acero.

Propiedades Mecánicas: En estado entregado vs. endurecido

Para os enxeñeiros e especialistas en adquisicións, o aspecto máis crítico das propiedades do acero de estampado en quente é a diferenza dramática entre o seu estado inicial e o seu estado final. Esta dualidade permite un conformado complexo (cando está blando) e un rendemento extremo (cando está duro).

A táboa inferior compara as propiedades mecánicas típicas da calidade estándar 22MnB5 antes e despois do proceso de endurecemento por estampado:

Análise da Resistencia ao Escoamento: A resistencia ao escoamento normalmente triplica durante o proceso. Mentres que o material en estado de entrega se comporta de forma semellante ao acero estrutural estándar, o compoñente acabado vólvese ríxido e resistente á deformación, polo que é ideal para xaulas de seguridade contra intrusións.

Dureza e Machinabilidade: A dureza final de 470–510 HV fai que o desbaste mecánico ou punzonado sexa extremadamente difícil e propenso ao desgaste das ferramentas. Consecuentemente, a maioría das operacións de desbaste en pezas PHS acabadas realízanse mediante corte láser (ver Datos técnicos de SSAB ) ou matrices especializadas para desbaste duro inmediatamente antes de que a peza enfríe por completo.

Graos Comúns de PHS e Composición Química

Aínda que o 22MnB5 segue sendo o material máis utilizado na industria, a demanda de compoñentes aínda máis lixeiros e resistentes levou ao desenvolvemento de varias variantes. Os enxeñeiros normalmente elixen os graos en función do equilibrio entre resistencia máxima e ductilidade necesaria para a absorción de enerxía.

• PHS1500 (22MnB5): O grao estándar cunha resistencia á tracción de ~1500 MPa. Contén aproximadamente 0,22% de carbono, 1,2% de manganesio e trazas de boro. Ofrece un equilibrio entre resistencia e suficiente tenacidade para a maioría das aplicacións de seguridade.
• PHS1800 / PHS2000: Graos máis novos de ultraalta resistencia que aumentan a resistencia á tracción ata 1800 ou 2000 MPa. Alcanzan maior resistencia mediante un contido lixeiramente superior de carbono ou ligazóns modificadas (por exemplo, silicio/niobio), pero poden ter menor tenacidade. Utilízanse en pezas nas que a resistencia á intrusión é a única prioridade, como vigas de paragolpes ou raís do teito.
• Graos dúcteis (PHS1000 / PHS1200): Tamén coñecidos como aceros temperados por prensado (PQS), estas calidades (como PQS450 ou PQS550) están deseñadas para manter unha maior elongación (10–15%) despois do endurecemento. Utilízanse frecuentemente en "zonas brandas" dun pilar B para absorber a enerxía do choque en vez de transferila.

A composición química está estritamente controlada para evitar problemas como a embrittlement por hidróxeno, especialmente nas calidades de maior resistencia. O contido de carbono xeralmente mantense por debaixo do 0,30% para conservar unha soldabilidade razoable.

Revestimentos e Resistencia á Corrosión

O acero sen revestimento oxidease rapidamente cando se quenta a 900 °C, formando unha escama dura que danza as matrices de estampado e require limpeza abrasiva (chorro de areia) despois da conformación. Para evitar isto, a maioría das aplicacións modernas de PHS utilizan chapas pre-revestidas.

Aluminio-Silicio (AlSi): Este é o recubrimento dominante para a estampación en quente directa. Impide a formación de óxido durante o escantillón e proporciona protección contra a corrosión por barreira. A capa de AlSi forma unha aleación co ferro do aceiro durante a fase de escantillón, creando unha superficie resistente que soporta a fricción deslizante do troquel. Ao contrario que o cinc, non ofrece protección galvánica (autoreparadora).

Recubrimentos de Cinc (Zn): Os recubrimentos baseados en cinc (galvanizados ou galvannealizados) ofrecen unha protección catódica contra a corrosión superior, o cal é valioso para pezas expostas a ambientes húmidos (como os roletes). Non obstante, a estampación en quente estándar pode causar Embrittlement por Metal Líquido (LME) , onde o cinc líquido penetra nas fronteiras de grano do aceiro provocando microfendas. Con frecuencia son necesarios procesos especializados «indirectos» ou técnicas de «pre-enfriamento» para manexar de forma segura o PHS recuberto con cinc.

Vantaxes Técnicas Principais

A adopción das propiedades do acero prensado endurecido foi impulsada por desafíos de enxeñaría específicos no deseño de vehículos. O material ofrece solucións que os aceros de alta resistencia estampados en frío (HSLA) ou os aceros bifásicos (DP) non poden igualar.

• Ligereza Extrema: Ao utilizar resistencias de 1500 MPa ou superiores, os enxeñeiros poden reducir o grosor das pezas (redución de grosor) sen comprometer a seguridade. Unha peza que antes tiña 2,0 mm de grosor en acero estándar podería reducirse a 1,2 mm en PHS, aforrando peso considerable.
• Sen Retroceso Elástico: No estampado en frío, os aceros de alta resistencia tenden a "recuperar" a súa forma orixinal cando se abre a matriz, dificultando a precisión dimensional. O PHS forma mentres está quente e blando (austenita) e endurece mentres está contido na matriz. Isto bloquea a xeometría no seu lugar, conseguindo case ningún retroceso elástico e unha precisión dimensional excepcional.
• Xeometrías Complexas: Como a conformación ten lugar cando o acero é maleable (~900°C), poden formarse formas complexas con trazos profundos e raios estreitos nun só golpe—xeometrías que se romperían ou fisurarián se se intentasen con acero ultrasólido frío.

Aplicacións Automotrices Típicas

O PHS é o material escollido para a "xaula de seguridade" dos vehículos modernos—a estrutura ríxida deseñada para protexer aos ocupantes durante un choque, evitando a intrusión na cabina.

Compoñentes críticos

As aplicacións estándar inclúen Pilares A, pilares B, raís do teito, reforzos do túnel, panelas do chasis e barras antintrusión das portas . Máis recentemente, os fabricantes comezaron a integrar o PHS en envolventes de baterías para vehículos eléctricos, para protexer os módulos contra impactos laterais.

Propiedades personalizadas

A fabricación avanzada permite o "temperado personalizado", no que zonas específicas dunha peza única (como a parte inferior dun pilar B) refrescan máis lentamente para manterse brandas e dúcteis, mentres que a sección superior se volve completamente dura. Esta combinación optimiza a peza tanto para resistir a intrusión como para absorber enerxía.

Para os fabricantes que buscan implementar estes materiais avanzados, é esencial asociarse con fabricantes especializados. Empresas como Shaoyi Metal Technology ofrecen solucións integrais en pezas de estampado para automoción, capaces de xestionar requirimentos de alta tonelaxe (ata 600 toneladas) e de manexar as necesidades precisas de ferramentas para compoñentes automotrices complexos, desde prototipado rápido ata produción en masa segundo os estándares IATF 16949.

Conclusión

As propiedades do acero para endurecemento por prensado representan unha sinerxia vital entre metalurxia e proceso de fabricación. Ao aproveitar a transformación de fase da ferrita á martensita, os enxeñeiros obtén un material que é suficientemente formable para deseños complexos e, ao mesmo tempo, resistente o suficiente para protexer vidas. A medida que os graos evolucionan cara aos 2000 MPa e máis alá, o PHS seguirá sendo un pilar fundamental das estratexias de seguridade e alleamento no sector automotriz.

Preguntas frecuentes

1. Cal é a diferenza entre estampado en quente e endurecemento por prensado?

Non hai diferenza; os termos úsanse indistintamente. "Endurecemento por prensado" refírese ao proceso metalúrxico de endurecemento que ten lugar na prensa, mentres que "estampado en quente" se refire ao método de conformado. Ambos describen a mesma secuencia de fabricación empregada para producir pezas de acero martensítico de alta resistencia.

2. Por que se engade boro ao acero de endurecemento por prensado?

Engádese unha pequena cantidade de boro (0,002–0,005 %) para aumentar considerablemente a capacidade de endurecemento do acero. Retarda a formación de microestruturas máis brandas como ferrita e perlita durante o arrefriamento, asegurando que o acero se transforme completamente en martensita dura incluso nas taxas de arrefriamento alcanzadas nos moldes de estampado industriais.

3. Pódese soldar o acero endurecido por prensado?

Sí, o PHS é soldable, pero require parámetros específicos. Dado que o material ten normalmente un contido de carbono dun 0,22%, é compatible coa soldadura por puntos por resistencia (RSW) e coa soldadura láser. Non obstante, a soldadura abranda lixeiramente a Zona Afectada Termicamente (HAZ), o cal debe terse en conta no deseño. Para os aceros recubertos con AlSi, o recubrimento debe eliminarse (mediante ablación láser) ou xestionarse coidadosamente durante a soldadura para evitar a contaminación da poza de soldadura.