Por qué el acero conformado en caliente es ahora tan ‘interesante’ para los diseñadores de automóviles

Entrevistamos a dos expertos en aceros conformados en caliente o PHS de SSAB para averiguar:

• Donde utilizan ahora los OEM de la industria automotriz los aceros al boro estampados en caliente de 1800 MPa y 2000 MPa en carrocerías de automóviles.
• La libertad de diseño que ofrecen actualmente las tecnologías de producción de PHS, incluidos componentes de ‘celdas blandas’.
• Las ventajas (por ejemplo, una mejor precisión de la forma, geometrías de piezas complejas) y las desventajas (coste, energía, velocidad lenta) del estampado en caliente.
• La historia de desarrollo del acero Docol^® 2000 PHS.
• Una comparación de los aceros UHSS: Acero conformado en caliente frente a acero martensítico.

¿Qué nos puede contar sobre el nuevo estándar de la VDA para el acero conformado en caliente o PHS de 1900 MPa?

Se trata de un estándar completamente nuevo, aunque los fabricantes de automóviles ya lo han utilizado para desarrollar sus propios estándares de OEM. La denominación de la VDA para la nueva calidad del acero conformado en caliente es CR1900T-MB-DS, que corresponde a la calidad de Docol^® PHS 2000 de SSAB, que alcanza una tensión de rotura de dos gigapascales o 2000 MPa.

Ese es el acero más resistente disponible. ¿Dónde lo utilizan los diseñadores de automóviles?

Existen numerosas aplicaciones posibles, pero en los primeros puesto de la lista se encuentra la protección de los paquetes de baterías en las plataformas de los vehículos eléctricos, donde no se permite ninguna intrusión, algo particularmente difícil para el ensayo de impactos laterales. Por lo tanto, los OEM del a industria automotriz utilizarán el acero PHS 2000MPa en componentes de seguridad tales como vigas transversales en la zona del suelo, entre los paneles oscilantes laterales, para proteger la batería del VE.

¿Cree que el nuevo acero Docol^® PHS de 2000 MPa también podría utilizarse en otras aplicaciones en las que tradicionalmente se ha utilizado un acero conformado en caliente de 1500 MPa?

Sí, claro, los aceros PHS 2000 y PHS 1800 no se usan solo para vehículos eléctricos, también resultarán útiles para vehículos de combustión interna. Se puede utilizar siempre que los diseñadores necesiten la resistencia máxima del acero o una reducción del peso utilizando paredes más finas.

La aplicación de automoción clásica para los aceros al boro conformados en caliente son los pilares A y B del vehículo. Pero el acero conformado en caliente también se utiliza en rieles de techo, miembros de paredes laterales, travesaños del techo y del salpicadero, así como en el refuerzo de puertas, pilares de parabrisas y suelos. Observará que los diseños actuales de estas piezas estampadas en caliente tienden a presentar geometrías muy complejas, que es donde destacan los aceros conformados en caliente.

Otra ventaja de usar aceros estampados en caliente es que una sola pieza puede tener diferentes niveles de resistencia, por lo que la pieza se comporta de una manera específica durante una colisión, ¿verdad?

Así es. La matriz de estampado en caliente se puede segmentar para someterla a distintos procesos de templado. Por ejemplo, para crear una ‘celda blanda’ de acero conformado en caliente, no se templa la pieza completa. La parte cubierta y sin templar tendrá un nivel de resistencia más bajo lo que, a su vez, puede absorber mucha energía durante una colisión. El segmento templado de la pieza, que tiene una mayor tensión de rotura, soportará unas fuerzas elevadas. En los últimos años se han producido grandes avances en ‘celdas blandas’ de acero conformado en caliente. Por ejemplo, la fabricación de una ‘celda blanda’ para la parte inferior del pilar B del automóvil.

Las piezas en bruto a medida representan otro modo de obtener un ‘comportamiento segmentado’ en una pieza de acero conformado en caliente, ¿no es así?

Sí. Una pieza en bruto a medida laminada es un fleje de acero que se lamina en frío para que tenga diferentes espesores a lo largo de su anchura. Así que puede especificar dónde desea que el fleje tenga mayor espesor y dónde desea que sea más fino, sobre la base de sus requisitos finales para la pieza y cómo desea que funcione.

Una pieza en bruto a medida soldada puede ser incluso más variada: puede soldar flejes de acero conformado en caliente de distinto espesor o incluso soldar un fleje de acero conformado en caliente a un fleje de acero que no está conformado en caliente.

Todas estas opciones me recuerdan lo que se denomina ‘libertad de diseño’ del acero conformado en caliente.

Piénselo: tiene un acero al boro que calienta y estampa a 900 ºC. A esa temperatura, es posible estampar en caliente fácilmente el acero conformado en caliente para obtener formas muy complejas con secciones profundas. Con ese tipo de libertad de diseño, los diseñadores de automóviles pueden ser más creativos con sus componentes. Es posible que eso signifique aprovechar la alta tensión de rotura del acero conformado en caliente para diseñar piezas más ligeras. Quizás la libertad de diseño se traduce en pocas piezas: la consolidación de la piezas. Y tal vez la libertad de diseño signifique piezas que ofrecen un mejor rendimiento en los ensayos de impacto.

Las piezas estampadas en caliente pueden presentar una mayor precisión en la forma final de la pieza, ¿correcto verdad?

Bueno, complementar el estándar para el acero que se puede tratar con calor significa que tiene poco o ningún efecto de recuperación lo que, a su vez, mejora la precisión de la forma. Esto lo tienen en mente muchas personas a medida que aumenta la tensión de rotura del acero AHSS y el efecto de recuperación elástica tiene el potencial de aumentar.

Pero, por otro lado, también comprendemos mejor que nunca, y podemos predecir y controlar mejor el efecto de recuperación en componentes de automóviles conformados en frío, incluso cuando se utilizan aceros gigapascales.

No cabe duda de que mucho depende del diseño de su pieza: en lugar de limitarse a asumir que debe pagar más por usar aceros conformados en caliente para evitar el efecto de recuperación, hable con su proveedor de aceros AHSS desde las primeras etapas del proceso del concepto de diseño. Numerosos conceptos de diseño, con ligeras modificaciones y la secuencia adecuada de pasos de producción, pueden conformarse en frío correctamente obteniendo una gran precisión en la forma final.

El acero Docol^® PHS 2000 es inusual porque se desarrolló originalmente para un cliente, ¿verdad?

Sí. Siempre trabajamos en estrecha colaboración con nuestros clientes. Pero en este caso, el cliente, Gestamp, recurrió a nosotros con una petición muy específica: “¿Pueden desarrollar un acero conformado en caliente con una tensión de rotura de 2000 megapascales pero con la ductilidad del 22MnB5 de 1500 megapascales? Queremos utilizarlo en nuestro concepto de parachoques más ligero”. También vimos el valor de un acero de 2000 MPa para otros componentes de seguridad, así que contestamos que si se podía.

Y desarrollar un acero para estampado en caliente tiene sus propios retos, ¿correcto?

Correcto. Como sabe, con los aceros conformados en caliente el fabricante desarrolla las propiedades mecánicas finales del acero a medida que este se calienta, se conforma y, posteriormente, se templa. Aquí entran en juego numerosos factores distintos: ¿Cuánto tiempo está el acero en su horno y a qué temperatura? ¿Qué medios de refrigeración utilizan en la herramienta? ¿Cuál es la presión de contacto entre la herramienta y el material?

Y todos estos procesos de estampado en caliente de OEM y de proveedores de primer nivel son propios, es decir, cada uno puede procesar el acero conformado en caliente de manera diferente. Gestamp ni siquiera comparte la información de estampado en caliente con nosotros (risas). Pero tuvimos que fabricar un acero conformado en caliente de 2000 MPa que funcionara para distintos OEM de la industria automotriz. Así que fue todo un reto.

Para conseguir que la calidad PHS 2000 alcanzara los niveles de ductilidad requeridos, SSAB se centró en la composición química del acero y en los sistemas de procesamiento de nuestras acerías. Esto y proporcionar a los clientes la temperatura recomendada del horno y la velocidad de enfriamiento, es decir, la velocidad de enfriamiento mínima necesaria para lograr la microestructura martensítica del acero y, por lo tanto, su tensión de rotura final.

¿Y qué hizo Gestamp?

Sometieron nuestros materiales a ensayos con sus herramientas de conformado en caliente. Sus comentarios y los ensayos fueron extremadamente valiosos, ya que realizamos repeticiones para el acero PHS 2000. Trabajar tan estrechamente con ellos realmente aceleró nuestro aprendizaje y el suyo.

¿Cuál fue el resultado?

El parachoques de acero PHS 2000 de Gestamp es un 17% más ligero y aún rentable. Así que fue todo un éxito tanto para Gestamp como para SSAB.

Comparación rápida de aceros de ultra alta resistencia

	Acero conformado en caliente (PHS)	Acero martensítico (MS)
Proceso de conformado de piezas	Estampación en caliente	Conformado en frío
Tensión de rotura más alta	2000 MPa	1700 MPa
Libertad de diseño para piezas complejas (por ejemplo, secciones profundas, etc.)	Muy alta: a 900 ºC se les da a las piezas formas complejas fácilmente	Es posible que sea necesario modificar diseños complejos para las técnicas de conformado en frío
Recuperación elástica	Se reduce enormemente o se elimina	Necesita ser predecible y controlarse
Precisión de la forma final	Muy buena	Muy buena cuando se controla correctamente la recuperación elástica
Herramientas	Mucho más caras	Menos caras
Producción	Mucho más lenta	Mucho más rápida
Consumo de energía/huella de CO2 para conformado	Muy alta	Más baja
Coste total de la pieza	Más alto	Más bajo
Popularidad (% de la carrocería del automóvil)	Aumentando	Aumentando