A medida que avanza el estudio de la metalurgia aplicada a los metales férricos surgen nuevos aceros y aplicaciones en el automóvil.
En no pocas ocasiones hemos tratado el tema de cómo los plásticos y los materiales compuestos vienen desplazando al acero en la industria de fabricación del automóvil. Si bien el uso de este metal sigue siendo predominante, en la actualidad los otros materiales mencionados ya alcanzan en algunos casos el 25% del total del vehículo, cuando no un porcentaje casi total en vehículos eléctricos nacidos de una ‘hoja en blanco’ y no como la adaptación de un vehículo de actual producción.
El punto es que este abundante metal es de fácil extracción, producción y reciclaje y, a pesar de su relativo peso excesivo, es apreciado por su tenacidad frente a esfuerzos de contracción y torsión, tal como lo requieren los bastidores y plataformas de los vehículos de hoy.
Por cierto, su desempeño en las pruebas de seguridad activa y pasiva casi siempre lo dejan en buena estima. Y si no alcanza el 100% de satisfacción es más por una errada aplicación del tipo de acero que se requiere para fabricar determinada pieza del automóvil.
Dinámica de las colisiones
En aras de ofrecer la mayor estabilidad a las plataformas y, al mismo tiempo, la mejor protección contra colisiones, las marcas de vehículos se centran en distribuir las cargas ejercidas por el impacto con el propósito de disipar la energía atenuando su transmisión al habitáculo de pasajeros.
En el impacto frontal, el conjunto de elementos de esta zona (paragolpes, soporte y crash box) recibe y disipa la mayor parte de la energía. Contiguo están los largueros, tanto inferiores como superiores, los cuales se deforman de manera programada, atenuando y absorbiendo energía.
Los largueros suelen estar unidos por uno o dos travesaños, dependiendo del tipo de carrocería, que se encargan de distribuir la energía por la base del vehículo. Los refuerzos longitudinales en los largueros, situados debajo de las puertas, están reforzados con cierres interiores que garantizan un sólido apoyo.
En el impacto lateral, la energía absorbida es más difícil de disipar debido a que son zonas más expuestas, que disponen de amplios huecos de alojamiento de puertas y son mínimamente reforzados. Por lo tanto, la protección se centra en fortalecer dicha estructura para evitar deformaciones de las puertas y alejar a los ocupantes de la zona de impacto.
Los parales de la carrocería del vehículo deben ser lo suficientemente rígidos para que soporten el impacto y no se deformen con facilidad. La energía es conducida por los largueros y travesaños del vehículo sin llegar a trasmitirse al habitáculo de pasajeros.
En el impacto trasero, la distribución de energía es similar al del golpe delantero. Primero, el paragolpes absorbe la energía que, por medio de soportes de fijación, la distribuye hacia los largueros traseros, comenzándose a deformar de forma uniforme y progresiva.
La energía se distribuye por toda la carrocería deformando elementos estructurales del vehículo y evitando la deformación del habitáculo.
Ante las diferentes dinámicas de colisión se requiere de diferentes aceros para la disipación de la energía.
Acero convencional
Es un acero dulce no aleado, laminado en frío y con un bajo contenido en carbono. Este reducido contenido de carbono le aporta buenas características para el trabajo de deformación por presión, pero, por el contrario, su límite elástico es demasiado bajo, por lo que se necesitan mayores espesores para soportar esfuerzos y, además, en los paneles exteriores, se producen deformaciones con facilidad.
Por esta razón, lo convierte en un material para usar en piezas con baja responsabilidad estructural (guardafangos, tableros de puertas, tapa baúl, etc.).
En cuanto a la reparación, debido a su reducido limite elástico, el proceso de conformación no presenta ningún tipo de complejidad. De la misma manera, el bajo contenido en elementos aleados le confiere una buena soldabilidad.
Aceros de alta resistencia
Debido a su mecanismo de endurecimiento se clasifican en:
Aceros Bake-Hardening (BH)
Estos aceros han sido elaborados y tratados para conseguir un aumento del límite elástico durante un tratamiento térmico a baja temperatura denominado “Bake Hardening”. Este tratamiento ofrece una mejora en la resistencia a la deformación y una reducción del espesor de la lámina con las mismas propiedades mecánicas.
Estos aceros están destinados a piezas de exteriores (puertas, capós, compuertas, guardafangos y capotas) y piezas estructurales (bastidores inferiores, refuerzos y travesaños).
Debido a un límite elástico más elevado, durante el conformado se debe realizar un mayor esfuerzo que si se tratara de una pieza fabricada con acero convencional. Al tener poca aleación, su aptitud a la soldadura es buena, sea cual sea el método utilizado.
Aceros Microaleados o aceros ALE (alto límite elástico)
Se obtienen mediante la reducción del tamaño de grano y precipitación del mismo y, en algunos casos, de forma selectiva se añaden otros elementos de aleación como titanio, niobio o cromo que brindan propiedades de dureza. Este tipo de acero se caracteriza por una buena resistencia a la fatiga y al choque y una buena capacidad de deformación en frío.
Estos aceros se destinan sobre todo para piezas interiores de la estructura que requieren una elevada resistencia a la fatiga, como por ejemplo los refuerzos de la suspensión, o refuerzos interiores. También se pueden encontrar en largueros y travesaños.
Poseen una buena disposición a la soldadura con cualquier procedimiento debido a su bajo contenido de elementos de aleación, mientras que en el proceso de reconformado se deben realizar esfuerzos mayores como consecuencia de su mayor límite elástico en comparación con los aceros convencionales.
Aceros refosforados o aceros aleados al fósforo
Son aceros con una matriz ferrítica que contienen elementos de endurecimiento en la solución sólida, tales como fósforo, cuya presencia puede ser de hasta un 0,12 por ciento. Estos aceros se caracterizan por ofrecer altos niveles de resistencia, conservando al mismo tiempo una buena aptitud para la conformación por estampación.
Las piezas fabricadas con esta clase de acero se destinan a usos múltiples, como partes de estructuras o refuerzos que están sometidos a fatiga, o elementos que deben intervenir en las colisiones como son largueros, travesaños o refuerzos de parales.
Siguiendo las técnicas de los aceros (BH) y de los aceros microaleados, el proceso de reconformado requiere de la aplicación de unas fuerzas mayores para recuperar la geometría inicial de la pieza. Con respecto al proceso de soldadura reseñar que cualquier procedimiento es apto debido a su bajo contenido en elementos aleantes.
Aceros de muy alta resistencia
Los aceros de muy alta resistencia o también llamados multifásicos obtienen la resistencia mediante la coexistencia en la microestructura final de “fases duras” al lado de “fases blandas”, es decir, se parte de un acero inicial que se somete a un proceso específico, por lo general es un tratamiento térmico (temple, revenido, normalizado), que lo transforma en otro.
En esta categoría se incluyen los siguientes aceros:
Aceros de fase doble (DP)
Este tipo de aceros presenta una buena aptitud para la distribución de las deformaciones, un excelente comportamiento a la fatiga y una alta resistencia mecánica, lo que genera una buena capacidad de absorción de energía y, por lo tanto, facilita utilizarlos en piezas de estructura y refuerzo. Su fuerte consolidación, combinada con un efecto BH muy marcado, les permite ofrecer buenas prestaciones para aligerar piezas.
Como consecuencia de sus altas propiedades mecánicas y su potencial de aligeramiento entorno al 15%, en comparación con los aceros convencionales, se usan en piezas con alto grado de responsabilidad estructural como son estribos, el paral delantero, travesaños de piso y capota.
El conformado de estos aceros es por lo general difícil, como consecuencia de su mayor límite elástico, lo que obliga a realizar esfuerzos mayores en comparación con otros aceros de menor resistencia. El proceso de soldadura también se complica, teniendo que usar equipos capaces de proporcionar intensidades mayores que las que suministran los equipos convencionales y una presión ejercida por la pinza superior a la que se ejerce a la hora de soldar un acero de menor límite elástico.
Aceros de plasticidad inducida por transformación (TRIP)
La capacidad de consolidación de estos aceros es importante, lo que favorece la distribución de las deformaciones y, por lo tanto, le asegura una buena estampación, así como ciertas características sobre piezas, en particular el límite elástico, mucho más altas que sobre el metal plano.
Este gran potencial de consolidación y una alta resistencia mecánica generan una buena capacidad de absorción de energía, lo que predispone el uso de este tipo de aceros para piezas de estructura y refuerzo. A su vez, esta gama de aceros es sometida a un importante efecto BH que les proporciona una mayor resistencia y, por lo tanto, permite aligerar las piezas y aumentar su capacidad de absorción.
Estos aceros se adaptan sobre todo a piezas de estructura y seguridad debido a su fuerte capacidad de absorción de energía y su buena resistencia a la fatiga, como son largueros, traviesas, refuerzos de paral central, etc.
El proceso de conformado de estos aceros es por lo general difícil como consecuencia de su mayor limite elástico, lo que obliga a realizar esfuerzos mayores en comparación con otros aceros que presentan una menor resistencia. Considerando el aumento del carbono equivalente, es necesario aumentar los esfuerzos (presión ejercida por la pinza) y adaptar los ciclos (aumentar la intensidad) para conseguir puntos de soldadura de buena calidad, lo que lleva a decir que la soldadura por puntos varía con respecto a los aceros de menor límite elástico.
Aceros de fase compleja (CP)
Los Aceros de Fase Compleja se diferencian del resto por un bajo porcentaje en carbono, inferior al 0,2 %. Su estructura está basada en la ferrita, en la cual también se encuentra la austenita y la bainita. Los aceros CP incorporan, además, elementos de aleación ya convencionales (manganeso, silicio, cromo, molibdeno, boro) y microaleantes para afinamiento de grano (niobio y titanio), que les confieren una estructura de grano muy fino. Este tipo de aceros se caracteriza por una elevada absorción de energía acompañada de una alta resistencia a la deformación.
Por esta última característica, las piezas que se fabrican con este tipo de acero son aquellas que tienen como misión evitar la intrusión de elementos en la zona de pasajeros, así como en los habitáculos de motor y el maletero. Un ejemplo de la aplicación de este tipo de aceros en la carrocería del automóvil es el refuerzo del paral B.
El conformado de la lámina de estos tipos de aceros es por lo general difícil como consecuencia de su mayor límite elástico, teniendo que aplicar esfuerzos superiores a los que habría que aplicar en aceros con menor resistencia.
El proceso de soldadura también se vuelve más complejo, teniendo que usar equipos capaces de proporcionar intensidades superiores que las que suministran los equipos convencionales y una presión ejercida por la pinza superior a la que se ejerce a la hora de soldar un acero de menor límite elástico.
Aceros de ultraalta resistencia
Este tipo de aceros se caracteriza por su alta rigidez, absorción de grandes energías y su alta capacidad para no deformarse. Los usos más comunes son aquellos en los que se requiere una elevada capacidad de absorber energía sin que se deforme la pieza. Un ejemplo puede ser el refuerzo en el denominado pilar B.
Aceros martensíticos (Mar)
Los aceros martensíticos presentan una microestructura compuesta básicamente de martensita, obtenida al transformarse la austenita en el tratamiento de recocido. El resultado son aceros que alcanzan límites elásticos de hasta 1.400 MPa.
Su alta resistencia a la deformación, convierten a estos aceros en los materiales más indicados para la fabricación de piezas destinadas a evitar la penetración de objetos en la zona de pasajeros, así como en los habitáculos motor y maletero. Un ejemplo de su aplicación de este tipo de aceros en la carrocería del automóvil es el refuerzo del paral B.
El conformado de las láminas de estos aceros es por lo general difícil como consecuencia de su mayor límite elástico.
El proceso de soldadura también se complica, teniendo que usar equipos capaces de proporcionar intensidades y presiones de pinza superiores que las que suministran los equipos convencionales.
Aceros al boro
Son aceros que presentan un alto grado de dureza como resultado del tratamiento térmico al que son sometidos, así como de la adición de elementos aleantes como manganeso (1,1 a 1,4 %), cromo y boro (0,005%). Gran parte de la dureza que poseen estos aceros es el resultado de la estructura martensítica que se obtiene de aplicar el tratamiento térmico.
Por su alto límite elástico y su reducido alargamiento (entorno a un 8%), estos aceros se adaptan sobre todo a piezas estructurales del automóvil, en particular las piezas conferidas para dar un alto grado de seguridad, debido a su alta resistencia a los choques y a la fatiga. La mayoría de las aplicaciones actuales están centradas en piezas del habitáculo o motor, por ejemplo, refuerzos de parales B y traviesas.
Los altos grados de dureza que son capaces de alcanzar, complican en gran medida el proceso de reparación haciendo prácticamente imposible su reconformado y, por lo tanto, se tiene que recurrir a la sustitución de la pieza dañada. De la misma manera, el proceso de soldadura se vuelve más complejo, teniendo que recurrir a equipos de soldadura de resistencia eléctrica por puntos que sean capaces de proporcionar intensidades y presiones de pinza más elevadas que un equipo convencional.
El rango de límite elástico se puede resumir en el siguiente cuadro: