Los aceros dúctiles de alta resistencia se podrán procesar a escala industrial gracias a un proyecto de investigación de WMG en la universidad de Warwick en el Reino Unido. AMS analiza cuál será la importancia de las 
para la industria automotrizEl equipo de WMG asegura que ha descubierto una manera de controlar la fase quebradiza que sufre el metal durante la producción. El principal investigador del proyecto, Alireza Rahnama, afirma: “El punto clave de esta investigación es que hemos demostrado que podemos aumentar la fortaleza de las fases quebradizas y mejorar la ductilidad en conjunto de los aceros ligeros. Proporciona nuevas formas de diseño de aceros nuevos y ligeros”.
En los últimos años las marcas de automóviles están recurriendo con cada vez más frecuencia a las alternativas ligeras al acero, como el aluminio o los materiales compuestos, para reducir el peso de los vehículos. Naturalmente, la industria del acero está reaccionando a esta amenaza contra su supremacía en la industria automotriz. Para ello está invirtiendo notablemente en I+D para obtener aceros de ultra-alta resistencia más ligeros y resistentes (AHSS y UHSS) para poder competir.
Básicamente, AHSS es un acero que demuestra su resistencia tensil final (UTS) de más de 500 MPa, mientras que UHSS es un acero que cuenta con un UTS de más de 980 MPa. Estos materiales se utilizan principalmente en el body-in-white (BIW) de vehículos para producir componentes que deben absorber una gran cantidad de energía en caso de accidente, tales como los laterales, y la parte frontal y trasera. Sin embargo, hay un equilibro complicado que deben alcanzar los productores de acero. Cuanto más resistente es el metal, es menos dúctil, lo que limita la manera en la que se pueden utilizar para conformar piezas. Rahnama afirma: “Es una investigación constante. Siempre buscamos nuevas aleaciones con un peso siempre inferior que tengan una mayor fortaleza y mayor ductilidad”.
Aceros de múltiples fases Hay una gran variedad de grados AHSS y UHSS, cada tipo demuestra propiedades ligeramente diferentes. Normalmente tienen una micro-estructura martensítica. La martensita es la forma más resistente y dura del acero, pero también es la menos maleable. Para solucionar este problema, se requiere una combinación de fases maleables y duras. El acero AHSS más común hoy en día es el acero de fase dual de primera generación, que contiene fases martensíticas y ferríticas para un equilibrio entre maleabilidad y fortaleza. En la actualidad los aceros de doble fase están disponibles con resistencia tensil de entre 590 y 1,400 MPa y son muy adecuados para la formación en prensa. Los aceros de fase compleja se pueden formar más fácilmente que los aceros de fase doble y contienen una fase adicional de bainita.
“Es una investigación constante. Siempre buscamos nuevas aleaciones con un peso siempre inferior que tengan una mayor fortaleza y mayor ductilidad”.– Alireza Rahnama, WMG
Los aceros TRIP de transformación inducida por plasticidad contienen austenita además de ferrita y martensita. Cuando se deforman estos aceros, la austenita se convierte en martensita, lo que permite distribuir el esfuerzo y aumentar la elongación. Estos aceros se malean más fácilmente que los aceros de fase compleja y fase doble. Por otro lado, los aceros TWIP de segunda generación de plasticidad inducida por maclado son 100% de austenita a temperatura ambiente. Sin embargo, los elementos de elevada aleación con más de un 15% de manganeso, pueden provocar el maclado cuando se deforma el acero. El maclado fortalece el acero, lo que permite mostrar una elongación un 50% superior con una fortaleza de entorno a 1,000 MPa.
Rahnama afirma: “En la actualidad se utilizan principalmente los aceros TRIP y TWIP en la industria automotriz. La producción de acero es mucho más barata que la del aluminio y materiales compuestos. Por otro lado, las aleaciones de aluminio y los materiales compuestos tienen una mayor densidad, lo que a su vez reduce el peso del automóvil, que mejora la eficiencia de consumo de combustible y reduce las emisiones de dióxido de carbono. Pero los aceros de baja densidad cuentan con las ventajas del coste reducido y de un peso menor. Los automóviles producidos con este acero son más baratos y ligeros".
Los aceros martensíticos, tal y como su propio nombre indica, son principalmente martensíticos con pequeñas cantidades de ferrita y bainita. Estos aceros cuentan con una fortaleza excepcionalmente elevada – entre 900 y 1,700 MPa – pero son más difíciles de conformar con cualquier proceso que no sea la laminación.
Estampado en caliente para mayor resistencia
Otros grados UHSS solo se pueden conformar con el estampado en caliente. Se desarrollaron en los años 70 en Suecia y los utilizó por primera vez SAAB en la industria del automóvil en 1984. En este proceso la pieza se calienta en un horno hasta su temperatura de austenitización de entorno a 900°C, se conforma en un molde refrigerado internamente, y se enfría a presión a un ritmo mínimo de 27°C por segundo. Esta tasa mínima de refrigeración garantiza la formación de una estructura martensítica en el componente y le proporciona una gran resistencia que puede exceder los 1,500 MPa.
Esto significa que se pueden construir componentes con anchos de acero más finos de los normalmente posible. Además, las piezas con geometrías complejas se pueden producir sin el problema del retroceso – cuando el metal intenta volver a su forma original debido a las propiedades naturales de recuperación elástica. Todo el proceso, desde el calentamiento de la pieza en el horno hasta el estampado dura entre 5 y 10 minutos, pero el avance de la tecnología de hornos ha permitido una tasa de producción de una pieza cada 20 segundos. El uso del estampado en caliente ha aumentado notablemente en los últimos años, pero la energía necesaria para calentar el molde hace que este proceso sea más caro que la estampación en frío.
Desarrollo de nuevos procesos Rahnama ha desarrollado una nueva vía de procesamiento que permite la producción de aleaciones de baja densidad basadas en acero con una gran resistencia mientras continúan siendo duraderas y flexibles, una combinación imposible de alcanzar hasta el momento. Añade: “La mayoría de mecanismos metalúrgicos para aumentar la resistencia provocan una pérdida de ductilidad, un fenómeno conocido como el equilibrio entre resistencia y ductilidad. Estudiamos la cinética y termodinámica de la evolución micro-estructural de aceros ligeros mediante simulaciones y experimentos, y proponemos un mecanismo para alcanzar una mayor resistencia y ductilidad, un método que ya está a disposición de la industria”.
En su investigación Rahnama analizó los aceros con elevado nivel de acero, conocidos como aceros Triplex. En comparación con los aceros TRIP y TWIP, estos materiales poseen una mayor fortaleza (que puede superar los 1,000 MPa) y una mayor dureza. Además, su densidad es inferior – 6.5g.cm–3 respecto a la habitual de 7.85g.cm–3. Sin embargo el elevado nivel de aluminio de estos aceros también tiene problemas. Rahnama afirma: “Al añadir aluminio se forman fases de dureza quebradiza como carburos kappa y compuestos intermetálicos B2”. Estos endurecen los aceros, pero limitan su ductilidad, por lo que es difícil conformar piezas.
Rahnama y su equipo han ensayado con dos aceros ligeros – Fe-15Mn-10Al-0.8C-5Ni y Fe-15Mn-10Al-0.8C – por su potencial de alcanzar una gran resistencia y ductilidad. Mediante la simulación y experimentación los investigadores han descubierto que a determinadas temperaturas elevadas de recocido las fases de quebrado de estos dos aceros son mucho más controlables, lo que permite a los aceros mantener su ductilidad.
Según Rahnama, las acererías podrían implementar el proceso con facilidad. Comentó: "Solo necesitamos recocer los aceros a una temperatura específica durante determinado tiempo y enfriarlo a un ritmo determinado". Pero el proceso de Rahnama todavía no está a punto para su uso comercial.
Las acererías han estado desarrollando sus propias formas de acero ultra-resistente y maleable. ArcelorMittal anunció en 2014 su rango Fortiform de aceros AHSS dúctiles desarrollados específicamente para el estampado en frío y que podrían reducir un 20% el peso de los componentes producidos actualmente con aceros de doble fase. Fortiform 1050 fue el primer producto de este tipo en llegar al mercado y los primeros vehículos producidos en serie con este metal abandonarán las líneas de ensamblado este año. Gracias a su elevada resistencia tensil, el acero Fortiform 1050 es especialmente adecuado para la producción de piezas que deban absorber energía en caso de impacto. Los constructores ya cuentan con muestras de ambos grados Fortiform 980 y Fortiform 1180 para realizar ensayos.
Acero con nano-estructura Mientras tanto, NanoSteel, un rango de aleaciones férreas con nano-estructura fabricados por la empresa del mismo nombre en EEUU, muestra elongaciones de hasta el 20% en temperatura ambiente, lo que representa oportunidades para formación en frío que no son posibles con los actuales grados AHSS y UHSS. Con el acero convencional, el grano y la matriz de la estructura del material se mide en micrones. Las aleaciones de NanoSteel tienen una nano-estructura, lo que significa que cuentan con tamaños de matriz y grano inferiores a 100 nm. Estas micro-estructuras a nano-escala proporcionan propiedades físicas y mecánicas únicas. Las aleaciones de NanoSteel aprovechan dos nuevos mecanismos que permiten la creación de nano-estructuras en entornos de producción de alta temperatura y permiten propiedades únicas después de la deformación.
El primer mecanismo se denomina el refinamiento NanoPhase. La mayoría de nano-materiales experimentan un crecimiento del grano cuando se exponen a grandes temperaturas pero el mecanismo de refinamiento NanoPhase de la empresa mantiene las propiedades favorables. El segundo mecanismo es el fortalecimiento dinámico de NanoPhase, éste ocurre después de la deformación y proporciona un elevado endurecimiento y ductilidad útil cuando el material se conforma en piezas de automóvil.
