Por que o aço estampado a quente está “na moda” agora para os designers de automóveis

Entrevistamos dois especialistas em aços endurecidos por prensagem da SSAB para saber mais sobre o assunto:

• Onde as montadoras estão utilizando agora os aços ao boro com estampados a quente de 1800MPa e 2000MPa em suas carrocerias automotivas.
• A liberdade de design que as tecnologias atuais de produção de PHS oferecem, incluindo componentes de "células macias".
• As vantagens (por exemplo, melhor precisão de formato, geometrias complexas de peças) e desvantagens (custo, energia, baixa velocidade) da estampagem a quente.
• A história de desenvolvimento do Docol^® PHS 2000.
• Uma comparação dos aços UHSS: PHS vs. Martensítico.

O que você pode nos dizer sobre a nova norma VDA para o aço endurecido por prensagem de 1900MPa?

Trata-se de uma nova norma VDA, mas as montadoras de automóveis já o utilizaram para desenvolver suas próprias normas de montadoras. O nome VDA para o novo grau de PHS é CR1900T-MB-DS, que corresponde ao grau Docol^® PHS 2000 da SSAB, que atinge uma resistência à tração de dois gigapascais, ou 2000MPa.

Esse é o aço mais resistente disponível — onde os designers de automóveis o utilizam?

Há muitas aplicações possíveis diferentes, mas o mais importante é que está protegendo as baterias em plataformas de veículos elétricos, onde nenhuma intrusão é permitida — o que é particularmente desafiador para o teste de colisão com impacto lateral. Desta forma, as montadoras de automóveis utilizarão o aço PHS de 2000MPa em componentes de segurança, tais como vigas transversais na área do piso, entre os painéis de soleira laterais, para proteger a bateria de VEs.

Você acha que o novo Docol^® PHS de 2000MPa também poderia ser utilizado em outras aplicações nas quais o PHS de 1500MPa tradicionalmente tem sido utilizado?

Ah sim, o PHS 2000 — e o PHS 1800 — não são destinados apenas para VEs: serão úteis também para carros ICE (com motor a combustão interna). Ele pode ser utilizado onde quer que os designers precisem de uma resistência máxima do aço ou redução de peso com o uso de paredes mais finas.

A aplicação automotiva clássica para aços ao boro endurecidos por prensagem são as colunas A e B de um veículo. Porém, o PHS também é utilizado em tubos longitudinais de teto, membros de parede lateral, travessas de teto e painel, bem como no reforço de portas, colunas de para-brisas e pisos. Você observará que os designs atuais dessas peças estampadas a quente tendem a apresentar geometrias altamente complexas, que são aquelas nas quais os aços PHS se destacam.

E outra vantagem do uso de aços estampados a quente é que uma única peça pode ter diversos níveis de resistência — portanto, a peça se comporta de forma específica durante uma colisão, certo?

Certo. Uma matriz de estampagem a quente pode ser segmentada para ter diferentes processos de têmpera. Por exemplo, para criar uma "célula macia" de PHS, você não precisa temperar a peça inteira. A peça coberta e não temperada terá um nível de resistência menor que, por sua vez, pode absorver uma alta energia durante uma colisão. O segmento temperado da peça, que possui maior resistência à tração, suportará altas forças. Tem havido bastante desenvolvimento nos últimos anos no campo de células macias de PHS. Por exemplo, a fabricação de uma célula macia para a parte inferior da coluna B de um carro.

Os cortes sob medida são outra maneira de obter um “comportamento segmentado” em uma peça de PHS, certo?

Sim. Um tailor rolled blank é uma tira de aço que é laminada a frio para possuir diversas espessuras ao longo da largura da tira. Assim, é possível especificar se a tira deve ser mais espessa e onde se deseja que seja mais fina, com base em seus requisitos definitivos para a peça e como se deseja que ela seja realizada.

Um tailor welded blank pode ser ainda mais variado: é possível soldar tiras de PHS com espessuras diferentes, ou até mesmo soldar uma tira de aço PHS a uma tira de aço não PHS.

Todas essas opções me lembram o que você chama de “liberdade de design” do PHS.

Pense nisso: você tem um aço ao boro que você aquece e estampa a 900°C. Nessa temperatura, é possível estampar rapidamente o PHS em formas muito complexas com seções profundas. Assim, com esse tipo de liberdade de design, os designers de automóveis podem ser mais criativos com seus componentes. Talvez isso signifique aproveitar a alta resistência à tração do PHS para conceber peças mais leves. Talvez a liberdade de design se traduza em poucas partes — consolidação de peças. E talvez a liberdade de design signifique peças que tenham melhor desempenho em testes de colisão.

As peças estampadas a quente podem ter melhor precisão no formato da peça final, certo?

Bem, o aumento padrão para o aço tratado termicamente é que você possui pouca ou nenhuma recuperação elástica e que, por sua vez, resulta em melhor precisão do formato. Isso ocorre com a mente de muitas pessoas, pois as resistências à tração do AHSS ficam cada vez maiores e a recuperação elástica tem o potencial de aumentar.

Mas, por outro lado, também compreenderemos melhor do que nunca — e poderemos prever e controlar melhor — a recuperação elástica em componentes automotivos conformados a frio, mesmo ao utilizar aços gigapascal.

É claro que muita coisa depende do design de sua peça: ao invés de simplesmente supor que seja necessário pagar mais pelo uso dos aços PHS para evitar a recuperação elástica, fale com o seu fornecedor de AHSS logo no início de seu processo de conceito de design. Muitos conceitos de design, com pequenas modificações e a sequência adequada de etapas de produção, podem ser conformados a frio com uma excelente precisão do formato final.

O aço Docol^® PHS 2000 é incomum porque foi originalmente desenvolvido para um cliente, certo?

Sim. Sempre trabalhamos em estreita colaboração com nossos clientes. Mas, nesse caso, o cliente, a Gestamp, nos procurou com uma solicitação muito específica: “Seria possível desenvolver um aço endurecido por prensagem com resistência à tração de 2000 megapascal, mas com a ductilidade de 22MnB5 (resistência à tração de 1500MPa)? Queremos utilizá-lo em nossa ideia de uma lâmina de pára-choques mais leve.” Percebemos também o valor de um aço de 2000 MPa para outros componentes de segurança, por isso dissemos que sim.

E o desenvolvimento de um aço de estampagem a quente tem seus próprios desafios, correto?

É isso mesmo. Como você sabe, com aços endurecidos por prensagem, o fabricante desenvolve as propriedades mecânicas finais do aço à medida que elas aquecem, conformam e depois temperam o aço. E muitos fatores diferentes entram em jogo: Por quanto tempo o aço fica em seu forno e a qual temperatura? Que meio de resfriamento eles estão utilizando na ferramenta? Qual é a pressão de contato entre a ferramenta e o material?

E todos esses processos de estampagem a quente das montadoras e de Tiers 1 são exclusivos — cada um pode processar o aço PHS de forma diferente. A Gestamp nem compartilha suas informações de estampagem a quente conosco! (risos) Mas tivemos que fabricar um aço PHS 2000 que funcionará para várias montadoras de automóveis. Por isso, foi um grande desafio.

Para que o PHS 2000 alcançasse os níveis de ductilidade exigidos, restou à SSAB focar na composição química do aço e em nossos sistemas de processamento em nossas usinas. Isso e fornecer aos clientes a temperatura recomendada do forno e a taxa de resfriamento — a taxa mínima de resfriamento necessária para alcançar a microestrutura martensítica do aço e, portanto, sua resistência máxima à tração.

E o que a Gestamp fez?

Eles testariam nossos materiais com o uso de suas ferramentas de endurecimento por prensagem. Seus comentários e testes eram extremamente valiosos, pois realizamos iterações com o aço PHS 2000. Trabalhar em estreita colaboração com eles realmente acelerou o nosso aprendizado e o deles.

Qual foi o resultado?

A lâmina de pára-choques da Gestamp feita com o aço PHS 2000 é 17% mais leve e, ainda assim, econômica. Por isso, foi um sucesso para a Gestamp e para a SSAB.

Uma rápida comparação de aços de ultra-alta resistência

	Aço endurecido por prensagem (PHS)	Aço martensítico (MS)
Processo de conformação de peças	Estampagem a quente	Conformação a frio
A mais alta resistência à tração	2000 MPa	1700 MPa
Liberdade de design para peças complexas (por exemplo, seções profundas, etc.)	Muito elevada: a 900°C, as peças são facilmente moldadas em designs complexos	Projetos complexos podem precisar ser modificados para técnicas de conformação a frio
Recuperação elástica	Muito reduzida ou eliminada	Precisa ser prevista e controlada
Precisão final do formato	Muito boa	Excelente quando a recuperação elástica é gerenciada adequadamente
Ferramentas	Muito mais caras	Menos caras
Tempos de produção	Muito mais lento	Muito mais rápido
Uso de energia/emissão de CO2 para conformação	Muito elevado	Mais baixo
Custo total da peça	Mais alto	Mais baixo
Popularidade (% da carroceria do carro)	Em crescimento	Em crescimento