Aços automotivos de estampagem a frio de 1500 e 1700 MPa

EVs e desempenho em colisões 5 estrelas impulsionam a adoção de aços mais resistentes

Para atender aos objetivos da indústria automotiva quanto a estruturas de carroceria leves e de alta resistência que permitem um desempenho em colisões 5 estrelas, é bem claro que as montadoras planejam aumentar ainda mais o uso de aços AHSS/UHSS de maior resistência. Os veículos elétricos, em particular, exigem materiais de maior resistência usados de novas maneiras, especialmente para transportar e proteger suas baterias pesadas.

Por vários anos, os aços de 1,5 GPa foram laminados para fabricar perfis relativamente simples para aplicações BIW automotivo. Mas agora, avanços sistemáticos na tecnologia de estampagem estão dando aos designers e engenheiros de produção da BIW a oportunidade de estampar a frio os aços de 1,5 GPa para perfis moderadamente complexos - em vez de depender apenas da estampagem a quente

Vantagens da conformação a frio para aços gigapascal

Vantagens da conformação a frio:

1. Até 28% mais barato: O processo de conformação a frio é consideravelmente mais barato do que a conformação a quente, devido aos custos operacionais significativamente mais altos da estampagem a quente.
2. Muito menos consumo de energia do que na estampagem a quente, resultando em menores custos de energia e pegada reduzida de CO₂.
3. Os aços martensíticos estão disponíveis em uma maior variedade de propriedades mecânicas do que os aços endurecidos por prensagem (PHS).
4. As peças martensíticas conformadas a frio têm melhor qualidade de superfície final do que as peças estampadas a quente.
5. Nenhuma limpeza adicional (jateamento) necessária para peças estampadas a frio.
6. As peças estampadas a frio podem ser mecanicamente perfuradas e aparadas, enquanto as peças endurecidas por prensagem exigem operações a laser mais caras para evitar a fragilização por hidrogênio.
7. Os aços martensíticos estão disponíveis com proteção catódica contra corrosão.
8. Os graus de martensita têm melhores propriedades de soldagem do que o PHS devido ao seu menor teor de carbono equivalente (Ceq ou C.E.).

Considerações sobre a conformação a frio

1. Não é possível a conformação a frio de formatos altamente complexos.
2. A recuperação elástica e suas contramedidas devem ser planejadas - mas esta é uma área em que os japoneses e outros países estão provando que isso pode ser feito: veja a próxima seção e a Gestão da recuperação elástica abaixo.

Fonte: SSAB.

Líder precoce do Japão na estampagem a frio de 1,5 GPa

"Em comparação com o resto do mundo, os fabricantes de matrizes japoneses desenvolveram suas matrizes e ferramentas mais amplamente para acomodar as forças mais altas necessárias para os aços de 1500 MPa, enquanto controlam a recuperação elástica", observa Hiroshi Kondo, consultor de aços automotivos japonês por mais de 30 anos. "Todas as OEMs japonesas agora estão avaliando 1500 megapascals para a estampagem a frio."

"Tradicionalmente, as montadoras japonesas e seus Tier 1s sempre se sentiram mais confortáveis com a estampagem a frio do que com a laminação ou estampagem a quente", continua Kondo. "Uma vantagem da estampagem a frio versus a laminação (roll forming) é que a estampagem oferece mais liberdade com a geometria da peça."

"Além disso, há todas as vantagens da estampagem a frio versus a estampagem a quente. É de suma importância para os fabricantes de automóveis japoneses o baixo uso de energia e o rápido tempo de ciclo - e agora, é claro, a redução da pegada de CO₂ - tudo isso favorece a estampagem a frio se comparado com a estampagem a quente."

Quais componentes automotivos podem ser estampados a frio a 1,5 GPa?

Para aplicações do 1500 M, os candidatos potenciais para estampagem a frio incluem vigas de iimpacto lateral, lâminas de para-choques, vigas cruzadas e seus reforços.

"A maioria dos painéis de soleira, reforços de painéis de soleira, vigas transversais de piso e algumas vigas de teto podem ser laminadas (roll forming)", diz Kenneth Olsson, especialista em desenvolvimento de negócios automotivos da SSAB. "Mas há muitas peças que, devido ao seu formato, não podem ser laminadas."

"Embora a estampagem a quente seja sempre uma opção", continua Olsson, "ela é mais cara, é mais lenta e, se você está aquecendo seus fornos com combustíveis fósseis - como a maioria dos fabricantes - há emissões de CO₂, que vão contra as metas de sustentabilidade das montadoras. Portanto, a estampagem a frio a níveis de resistência de 1500 MPa é um desenvolvimento empolgante e relativamente novo."

Kenneth Olsson.

Ensaios impressionantes em aços de estampagem a frio 1,5 GPa e 1,7 GPa

A KIRCHHOFF Automotive carimbou com sucesso este protótipo de barras de impacto lateral usando os graus Docol^® 1500 M e 1700 M. As fotos superiores mostram as peças conformadas, enquanto as fotos inferiores mostram as peças após um teste de dobra de 3 pontos.

Para algumas peças automotivas, é simples apostar na robustez

Esta barra de impacto lateral, estampada a frio com o aço Docol^® CR1150Y1400-MS-EG, foi testada com sucesso em uma matriz de produção em série projetada para CR950Y1200T-MS-EG. Os especialistas em conformação da SSAB acreditam que a peça poderia ser estampada a frio com sucesso usando o CR1220Y1500T-MS-EG.

A conformação a frio evita armadilhas de fragilização por hidrogênio

Após a estampagem a quente, os fabricantes devem ser extremamente cuidadosos com a operação de corte e perfuração, ou podem causar fraturas retardadas. Consequentemente, os lasers são normalmente necessários para perfurar ou aparar peças estampadas a quente, e esses lasers são mais complicados e caros do que as ferramentas mecânicas convencionais.

Com a conformação a frio, as estamparias podem usar ferramentas convencionais de perfuração e aparagem mecânica, sem o risco de fratura retardada, mesmo em aços de 1,5 GPa. E a aparagem e perfuração mecânica em linha são processos familiares, rápidos e econômicos para as máquinas de estampagem.

Gerenciamento para recuperação elástica de estampagem a frio em aços de extrema resistência

As duas principais vantagens da estampagem a quente são sua capacidade de formatos muito complexos e a eliminação da recuperação elástica. Porém, as empresas japonesas e outras desenvolveram uma série de estratégias para controlar a recuperação elástica em peças estampadas a frio:

1. Simulações: simulações de conformação permitem que os designers otimizem a geometria da peça para controlar a recuperação elástica e melhorar a precisão final dos componentes estampados a frio.
2. Otimização: inclui o uso de linhas de dobra retas e configurações de canto (raio) projetadas.
3. Prensa-chapas o formato e a colocação de prensa-chapas para maior controle de recuperação elástica.
4. Geometria da matriz: passar de um aço com menor limite de escoamento para um maior, como o CR1220Y1500T-MS, pode exigir algumas alterações na geometria da matriz para compensar a recuperação elástica mais alta.
5. Ferramentas: materiais de ferramental aprimorados, incluindo resistência ao desgaste e revestimentos, para lidar com as forças mais altas da matriz.

O que outros especialistas estão dizendo sobre a UHSS de estampagem a frio

Os aços martensíticos são uma alternativa conformável a frio aos aços endurecidos por prensagem conformados a quente, conforme a World Auto Steel escreve em sua página na web sobre martensita.

O uso de estampagem a frio permite a flexibilidade de considerar diferentes estratégias ao processar o molde, o que pode resultar em recuperação elástica reduzida ou incorporar recursos de peça não alcançáveis com a laminação (roll forming). A estampagem a frio de aços martensíticos não se limita a formatos mais simples com curvatura suave.

A World Auto Steel, então, mostra uma foto de um pilar externo central que foi estampado a frio, com uma peça soldada (tailor-welded) de CR1200Y1470T-MS na porção superior e CR320Y590T-DP na porção inferior. Eles continuam citando:

Um estudo que determinou que houve uma correlação entre a resistência ao escoamento da chapa de aço e a deformação de dobra em 3 pontos das peças em formato de chapéu. Com base em uma comparação da resistência ao escoamento...O CR12001470T-MS tem desempenho similar ao PHS-CR1800T-MB e PHS-CR1900T-MB estampados a quente com a mesma espessura e excede o PHS-CR1500T-MB frequentemente usado. Por esse motivo, pode haver o potencial de reduzir custos e até mesmo o peso com uma abordagem de estampagem a frio, com a prensagem, processos e designs de matriz adequados.

O artigo continua e mostra o reforço de uma travessa estampado a frio, em produção comercial, feita com aço martensítico de 1500 MPa:

A elevação variável dessa peça, combinada com uma seção transversal não uniforme nas bordas mais externas, ajuda a controlar a recuperação elástica, mas torna a laminação (roll forming) significativamente mais desafiadora se a abordagem de conformação a frio for utilizada [em vez de seu processo estampado a frio].

O artigo conclui com um exemplo de um reforço de teto central 1500T-MS conformado a frio que usa o processo patenteado Stress Reverse Forming™ para maior precisão dimensional, por meio da redução da sensibilidade de recuperação elástica.

Comparação da estampagem a frio de 1,5 GPa com a estampagem a quente de 1,5 GPa

Precisão: Sem recuperação elástica, as peças endurecidas por prensagem podem ser muito precisas. Com a estampagem a frio, o gerenciamento abrangente da recuperação elástica é fundamental para a precisão das peças.
Formato da peça: A estampagem a quente é ideal para formatos de peças altamente complexos, embora a estampagem a frio esteja gerando impressionantes ganhos de complexidade em peças.
Tempo de ciclo: A estampagem a frio é muitíssimo mais rápida que o endurecimento por prensagem.
Consumo de energia: A estampagem a quente requer aquecimento rápido (a 900°C) e resfriamento rápido; a estampagem a frio não, o que economiza dinheiro e emissões.
Corte/perfuração: Peças PHS de 1,5 GPa requerem corte a laser e perfuração para evitar a fragilização por hidrogênio. Por outro lado, peças de 1500 MPa estampadas a frio podem ser cortadas mecanicamente e perfuradas em linha.

Fotos de cortesia da KIRCHHOFF Automotive.

Viga de impacto lateral 1400 M, estampada a frio com sucesso em uma matriz projetada para 1200 M.

Laminação: cada vez mais robusta

Embora a estampagem a frio de peças de 1,5 GPa seja relativamente nova, a laminação a frio (roll forming) de aços UHSS têm sido comum há anos (não no Japão). E os designers e Tier 1s tornaram-se cada vez mais sofisticados em suas aplicações de laminação (roll forming), ampliando os limites das formas possíveis.

Por exemplo, a Shape Corp. desenvolveu o aço Docol^® CR1350Y1700-MS-UC para laminação (roll forming) e, em seguida, o dobrou em 3D nesse trilho de teto para a produção em série nos modelos Ford. O resultado é um componente de baixo peso, baixo custo e energeticamente eficiente que, com suas paredes mais finas, proporciona melhor visibilidade aos ocupantes do carro.

Laminação em 3D: uma solução procurando por problemas?

A laminação tridimensional foi proposta como uma maneira alternativa de tornar algumas geometrias ligeiramente mais complexas no UHSS.

Os especialistas de desempenho em colisões da SSAB propuseram o uso de laminação (roll forming) em 3D em 1700 M para a proteção da bateria em seu conceito Docol^® EV Design. Aqui, o design utiliza vigas laminadas em 3D ("corrugadas"), tecidas em um padrão de malha, para uma base de compartimento de bateria de VE excepcionalmente forte que tem metade da altura convencional de tais estruturas.

As vigas azuis abaixo do piso do carro são a estrutura de "malha" do compartimento da bateria. Seu padrão cruzado de vigas laminadas em 3D feitas com o Docol 1700 M reduz a altura da malha em um fator de 2.

Qual o grau de conformabilidade a frio do Docol^® CR1220Y1500T-MS?

O Docol^® martensítico de 1500 MPa oferece melhores capacidades de conformação a frio, conforme demonstrado por:

• Relação de estiramento profundo de 2,0
• Taxa de expansão do furo de normalmente 40%
• Curvatura garantida de 4,0*t
• Laminação (roll forming) garantida de 3,5*t

O que vem a seguir para a conformação de UHSS a frio?

A SSAB segue cuidadosamente a introdução e a implantação de novas tecnologias de conformação a frio, sabendo que as eficiências de conformação a frio, com seu menor tempo de aderência, prensas mais simples e menor uso de energia, estão bem alinhadas com as metas dos fabricantes de automóveis para uma produção simplificada, custos reduzidos e sustentabilidade.

Incentivamos os designers de componentes de body-in-white a envolver nossos especialistas em conformação, no início do desenvolvimento do produto para obter os melhores resultados. Contate o seu representante Docol^® local para descrever os objetivos e as ambições do seu projeto.