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Los aceros AHSS. Su fabricación y uso Octubre 2014

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Page 1: Muy Bueno AHSS

Los aceros AHSS. Su fabricación y uso

Octubre 2014

Page 2: Muy Bueno AHSS

Definición acero

Acero es una aleación Fe y C

• 0.03%<C<1.76% ACEROS

• C>1.76% FUNDICIONES

Acero AUTOMOVIL:

• C<0.25%

• Aceros aleados con Mn, Al, Ti, Nb, P, Si …

• Fases presentes: ferrita,cementita, perlita, martensita, bainita y austenita

900

800

700

600

500

400

300

200

0 0.01 0.02

+

+ Fe3C

°C

Page 3: Muy Bueno AHSS

Estructura del Acero

Tamaño Real

Microscopio Óptico

Nivel Atómico•Átomos Ordenados•Sólido Cristalino

X 100/2000

GRANOSmenor dg:Re, Tenacidad

Niveles Microscópicos

Page 4: Muy Bueno AHSS

Estructura del Acero

‘’Mezcla de Fe y C”: Inserción del C en la red del Fe

Austenita ()FCC

Ferrita ()BCC

FASES

Page 5: Muy Bueno AHSS

Características

de superficie

Características

Metalúrgicas

Características

geométricas

• Espesor

• Ancho

• Planitud

• Composición química

• Microestructura

• Precipitados / e. disueltos • Rugosidad

• Química de superficie

• Revestimiento

Propiedades

Magnéticas• Limite elástico

• Resistencia

• Alargamiento

• Dureza

• …

Características

Mecánicas

Caracterización acero

Page 6: Muy Bueno AHSS

El ensayo de tracción consiste en

imponer un desplazamiento

progresivo a una probeta de forma

normalizada mediante una máquina

de tracción. La máquina recoge un

registro continuo del desplazamiento

y de la fuerza resultante.

El ensayo de tracción

PROBETA DE TRACCIÓN

MÁQUINA DE TRACCIÓN

Page 7: Muy Bueno AHSS

Se impone un desplazamiento y una velocidad.

Se mide la fuerza y el alargamiento

Se deduce Re, Rm, A%,

Re: Límite de elasticidad

Rm: Resistencia a tracción

A%: Alargamiento a la ruptura.

Desplazamiento

a velocidad constante

Rm

Re

A%

Ag%

El ensayo de tracción

Diferenciar materiales duros de blandos

Page 8: Muy Bueno AHSS

¿ Por qué los aceros son el material más usado en

la fabricación Industrial ?

La producción mundial de acero supera los 1200 Millones de toneladas por año y es la principal materia

prima inductrial para usos estructurales.

Junto a un moderado coste de fabricación frente a otros metales como el Aluminio, sus ventajas se

centran en:

– Gran veriedad de niveles de resistencia y conformabilidad. Existen aceros con límites elásticos

de 150 Mpa y aceros con límites elásticos superiores a 1500 Mpa. Respecto a la

conformabilidad puede ser inferior al 3 % ó cercana al 99 %.

– Capaces de trabajar en un rango elevado de Temperaturas, desde -100 ºC hasta T superiores

a 700 ºC

– Presentan una excelente soldabilidad comparativamente con otros metales.

– Posee un nivel muy elevado de reciclabilidad..

Page 9: Muy Bueno AHSS

ACEROS PARA LA AUTOMOCIÓN

El suministro de aceros para la automoción supone un reto importante desde el punto

de vista de Calidad para los principales fabricantes de acero.

Se trata de un mercado en el que el número de piezas defectuosas se mide en ppm y

ello exige procesos-productos diseñados y controlados de acuerdo a un Sistema

de Calidad Total. Como Norma de referencia de Gestión para el suministro al

mercado de la Automoción se ha impuesto en los últimos años la ISO-TS16949.

El cumplimiento con esta Norma exige una gestión enfocada a la Mejora

Continua, con todos los procesos de la empresa debidamente controlados y

optimizados y una gestión enfocada en maximizar la satisfacción del Cliente.

A este requerimiento de Calidad se une una necesidad de servicio JIT ( Just in Time )

que minimice los stocks en las diferentes etapas de la cadena de suministro.

Para poder satisfacer las necesidades de Servicio y de Calidad ha sido fundamental

para los fabricantes el diseño de procesos más robustos y la utilización de

controles avanzados en las distintas etapas de fabricación. Destacan en los

últimos años los Sistemas de Inspección Automática y los sistemas EPC.

Page 10: Muy Bueno AHSS

ACEROS PARA LA AUTOMOCIÓNLos sistemas de Inspección Automática son equipos con cámaras que captan

imágenes de alta resolución del 100 % de la superficie de la bobina a la

velocidad y temperatura del proceso. Estas imágenes se comparan con unas

imágenes patrón y permiten hacer una valoración del número de defectos que

posee una bobina para su valoración respecto a la Norma correspondiente.

Los Sistemas EPC permiten en base a determinadas variables de proceso determinar

las propiedades físicas y mecánicas de cada metro de bobina.

Gracias a ambos avances es posible garantizar la calidad requerida en el 100 % de la

longitud de la bobina. Hace tan sólo unos años sólo era posible una inspección

visual de unos pocos metros de la bobina y unos ensayos físicos en el extremo

de la bobina .

Otro punto tremendamente crítico es la trazabilidad. De una bobina de acero es

posible fabricar miles de piezas que acabarán montadas en miles de vehículos.

Es preciso disponer de suficientes controles internos que permitan bloquear un

producto no conforme, pero en ocasiones el problema puede aparecer en

Cliente. En esas ocasiones una inmediata capacidad de delimitar el alcance del

problema es totalmente imprescindible. Los registros de fabricación hoy en día

afectan a miles de variables con datos metro a metro de los productos y se

almacenan durante años con objeto de poder dar solución a potenciales crisis.

Page 11: Muy Bueno AHSS

ACEROS PARA LA AUTOMOCIÓNEn los últimos años la Industria del automóvil ha tenido una muy fuerte

evolución hacia aceros de alta resistencia con el objeto de reducir el peso de los vehículos y con ello mejorar sus prestaciones y reducir los consumos. Se ha pasado de aceros en general “blandos “ a algunos aceros de media-alta resistencia tipo HSS ( High Strength Steels) y más recientemente a aceros de muy alta resistencia denominados AHSS (Advanced High Strength Steels ).

• HSS. (HIGH STRENGTH STEELS ). Presentan Límites Elásticos entre 210 y 550 MPa. Se trata de aceros monofásicos ( normalmente ferríticos ). Como principal ejemplo los aceros HSLA ( High Strength Low Alloyed ) con tratamientos de laminación termomecánica..

• AHSS ( ADVANCED HIGH STRENGTH STEELS ). Presentan Límites Elásticos superiores a 550 MPa (normalmente son aceros multifase, pudiendo presentar FERRITA /MARTENSITA /BAINITA /AUSTENITA RETENIDA). Como ejemplos los Aceros TRIP (PLASTICIDAD INDUCIDA POR DEFORMACION), DP (FASE DUAL), CP (FASE COMPLEJA ) Y MS (MARTENSÍTICOS )

Page 12: Muy Bueno AHSS

Tensi

le S

trength

[M

Pa]

TRIP

MicroalloyedBake-HardeningIF-HSSRephosphorised

10% 20% 30% 40% 50%

200

300

400

500

600

700

800

Elongation A80(%)

Dual Phase

900

HSS

AHSS

CQ, DQ, DDQEDDQSuperEDDQ

Complex Phase1000

1100

1200

Evolución

Resistencia1300

1400

1500

0%

Quenchable B

Page 13: Muy Bueno AHSS

Materiales

140 MPa

210 MPa

280 MPa

350 MPa

420 MPa

Ultra High

Strength

Steel

Sandwich

MATERIALES

Page 14: Muy Bueno AHSS

APLICACIÓN

Page 15: Muy Bueno AHSS

PROCESO DE FABRICACIÓN MATERIAL

GALVANIZADO

En su mayor parte el acero del automóvil es material galvanizado en

caliente por inmersión. Así sobre la capa de acero se deposita una

fina capa de Zn que protege al acero de la corrosión.

Stee

l Fe2Al5

layer10 mm

Oxidized top

surface layerZinc layer

Page 16: Muy Bueno AHSS

PROCESO DE FABRICACIÓN MATERIAL

GALVANIZADO

Por su importancia en la calidad del producto final destacaremos las

siguientes etapas en la fabricación del material galvanizado:

• Acería. En esta etapa se solidifica el material que ya no volverá a estar más

en estado líquido. Se fija aquí la composición química y la calidad interna.

• Laminación en Caliente. En este proceso se modifica notablemente la

microestructura del material pudiendo mejorarse las propiedades mecánicas

merced al afino del tamaño de grano.

• Laminación en Frío. En este proceso se obtiene el espesor final del producto

siendo críticas las tolerancias.

• Galvanizado por inmersión. Relevante para las propiedades mecánicas en

base al ciclo en el horno de recocido y la calidad superficial tras el

recubrimiento

Page 17: Muy Bueno AHSS

Acería

CONVERTIDOR RH-OB

COLADA

CONTÍNUA

Page 18: Muy Bueno AHSS

Laminación en Caliente

La

min

ac

n C

alie

nte

Hornos Recalentamiento

Desbastador

Acabador

Bobinadora

Page 19: Muy Bueno AHSS

Laminación en frío

Decoiling

Recoiling

Page 20: Muy Bueno AHSS

Galvanizado en Continuo

HORNO DE RECOCIDO ZONA DEL POTE TEMPER

Page 21: Muy Bueno AHSS

Solid Solution Precipitation

Grain Size Refinement Second Phases

Métodos de Endurecimiento del Material

Page 22: Muy Bueno AHSS

Aceros HSLA

Los aceros HSLA consiguen un aumento muy notable de las propiedades

mecánicas en base a una precipitación fina que permite anclar las juntas de

grano y con ello evitar su recristalización y crecimiento.

MENOR TAMAÑO DE GRANO IMPLICA UNA MAYOR SUPERFICIE

ESPECÍFICA DE BORDE DE GRANO O LÍMITE DE GRANO. ESTOS

LÍMITES O BORDES DE GRANO SUPONEN UNA BARRERA O

LIMITACIÓN AL MOVIMIENTO DE LAS DISLOCACIONES, LO

CUAL SUPONE UN INCREMENTO DE LAS PROPIEDADES

RESISTENTES.

POR OTRO LADO LIMITAR EL TAMAÑO DE GRANO TAMBIÉN

SUPONE UN MAYOR IMPEDIMENTO AL CRECIMIENTO Y

PROPAGACIÓN DE GRIETAS, LO QUE SE TRADUCE EN UN

AUMENTO DE LA TENACIDAD.

Page 23: Muy Bueno AHSS

Aceros HSLA

LA MAYORÍA DE LOS ACEROS SE FABRICAN MEDIANTE

LAMINACIÓN EN CALIENTE Y EN LOS FABRICADOS

POR OTROS MÉTODOS EL CONTROL DEL TAMAÑO DE

GRANO ES UN PROBLEMA TODAVÍA MAYOR.

EN EL PROCESO DE LAMINACIÓN EN CALIENTE LAS

TEMPERATURAS A LAS QUE SE PRODUCE LA

LAMINACIÓN SON TODAVÍA MUY ALTAS (PARA QUE EL

ACERO PERMITA SU DEFORMACIÓN) Y EL PROPIO

PROCESO DE LAMINACIÓN INTRODUCE ACRITUD EN

EL ACERO. ESTA ACRITUD JUNTO CON LA

TEMPERATURA ACUMULAN LA SUFICIENTE ENERGÍA

COMO PARA QUE SE PRODUZCA UNA

RECRISTALIZACIÓN DEL GRANO DEFORMADO Y UN

AUMENTO EN EL TAMAÑO DE GRANO….

Page 24: Muy Bueno AHSS

1150 - 1250 ºC

<975ºC (con Nb)

900ºC /950ºC

850ºC /900ºC

730ºC /760ºC

<700ºC

Tª (ºC)

TC

TNR

Ac3

Ar3

Ar1

Grain size 6-7

With Al (or Nb, V)

With Al ó V

With Nb

AC AC

8-9 9-10 10-11

11-13

8-9

+

LA REDUCCIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO FERRÍTICO MEJORA TANTO LAS

PROPIEDADES RESISTENTES COMO LA TENACIDAD

Proceso de laminación en Caliente

AS ROLLED(C-Mn Steels)

Low Properties

Page 25: Muy Bueno AHSS

1150 - 1250 ºC

<975ºC (con Nb)

900ºC /950ºC

850ºC /900ºC

730ºC /760ºC

<700ºC

Tª (ºC)

TC

TNR

Ac3

Ar3

Ar1

Grain size 6-7

With Al (or Nb, V)

With Al ó V

With Nb

AC AC

8-9 9-10 10-11

11-13

8-9

+

Proceso de laminación en CalienteLA REDUCCIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO FERRÍTICO MEJORA TANTO LAS

PROPIEDADES RESISTENTES COMO LA TENACIDAD

NORMALIZED

Smaller grain size by heat treatment with the help of Al and Nb. Possible to harden because of V

Page 26: Muy Bueno AHSS

1150 - 1250 ºC

<975ºC (con Nb)

900ºC /950ºC

850ºC /900ºC

730ºC /760ºC

<700ºC

Tª (ºC)

TC

TNR

Ac3

Ar3

Ar1

Grain size 6-7

With Al (or Nb, V)

With Al ó V

With Nb

AC AC

8-9 9-10 10-11

11-13

8-9

+

Proceso de laminación en CalienteLA REDUCCIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO FERRÍTICO MEJORA TANTO LAS

PROPIEDADES RESISTENTES COMO LA TENACIDAD

NORMALIZINGSmaller grain size by recristallization at low temperature or by rolling in the non recristallization area (Nb Steels). )It is possible to harden because of V

Page 27: Muy Bueno AHSS

1150 - 1250 ºC

<975ºC (con Nb)

900ºC /950ºC

850ºC /900ºC

730ºC /760ºC

<700ºC

Tª (ºC)

TC

TNR

Ac3

Ar3

Ar1

Grain size 6-7

With Al (or Nb, V)

With Al ó V

With Nb

AC AC

8-9 9-10 10-11

11-13

8-9

+

Proceso de laminación en CalienteLA REDUCCIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO FERRÍTICO MEJORA TANTO LAS

PROPIEDADES RESISTENTES COMO LA TENACIDAD

TERMOMECHANICAL CONTROLLED ROLLING

( Nb Steels)Very small grain size by rolling all the finishing phase in the non recristalization area, inclusive in the ferritic area. Very high mechanical properties obtained.

Page 28: Muy Bueno AHSS

Ablandamiento como consecuencia de

una recristalización dinámica.

-A mayor T y/o velocidad de

deformación, menor resistencia.

T elevada.- Deformación y recristalización muy rápida,

durante la laminación y entre pasadas. Lleva a un grano

recristalizado bastante basto aunque más fino que el original.

T “media”.- Deformación y acritud medias, recristalización

estática. Posible recristalización incompleta (gérmenes en

borde de granos deformados por T demasiado baja o

engrosamiento de granos recristalizados por T demasiado

elevada).)

T “bajas”.- No se permite la redistribución por difusión de las

dislocaciones en bordes de grano y menos provocar la

germinación y crecimiento de nuevos granos.

Esta evolución de la microestructura

depende del rango de temperaturas

en que se realiza la deformación.

Page 29: Muy Bueno AHSS

Aceros HSLA

LA SOLUCIÓN AL PROBLEMA RADICA EN IMPEDIR EL

AUMENTO DEL TAMAÑO DE GRANO DURANTE EL

PROCESO DE LAMINACIÓN EN CALIENTE.

PARA CONSEGUIR ESTO SE ADICIONAN AL ACERO

ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN MUY BAJA

PROPORCIÓN QUE FORMAN FINOS PRECIPITADOS EN

LOS BORDES DE GRANO, ANCLANDO LOS MISMOS E

IMPIDIENDO SU CRECIMIENTO.

LOS PRECIPITADOS QUE SE FORMAN SUELEN SER

CARBUROS, NITRUROS O CARBONITRUROS.

ESTOS FINOS PRECIPITADOS APARTE DE IMPEDIR EL

CRECIMIENTO DE GRANO TAMBIEN IMPIDEN EL

DESPLAZAMIENTO RELATIVO DE LOS LÍMITES DE

GRANO CONSIGUIENDO UNA MEJORA GLOBAL DE LAS

PROPIEDADES MECÁNICAS.

Page 30: Muy Bueno AHSS

Aceros HSLA

• El objeto es obtener una estructura ferrítica de grano muy fino y deformado , lo que permitirá las siguientes características del material:

– Elevado nivel de Límite Elástico ( 500 Mpa ) y Carga de Rotura.

– Mejora de la tenacidad y Resistencia al Impacto ( con T de transición inferiores a -70 ºC )

¿ Como se consigue esta estructura ?

Realizando suficientes pasadas de laminación por debajo de la Temperatura de No Recristalización. Así el grano acumula deformación, se va alargando, afinando y llenando de dislocaciones.

El problema es que la temperatura de No Recristalización de un acero al C-Mn es muy baja ( menor de 800 º C ) lo que llevaría a temperaturas de laminación n o aplicables industrialmente.

Page 31: Muy Bueno AHSS

Aceros HSLA

Lo que se hace es añadir al acero elementos que aumenten esta Tnr. Estos elementos son fundamentalmente el V y Nb, y permiten llevar Tnr a niveles superiores a 950 º C

¿ Como aumentan Tnr ?

El V y Nb están disueltos en el acero por encima de los 1200 ºC. Al realizarse el proceso de enfriamiento, si este es suficientemente lento, precipitan en forma de Carbonitruros en las juntas de grano austeníticas. Así estos precipitados anclan las juntas de grano no permitiendo la recristalización.

Además estos precipitados realizan un aumento de las propiedades por partículas dispersas por lo que tienen un doble efecto

Page 32: Muy Bueno AHSS

Aceros HSLA

Habitualmente, tras terminar la laminación y producirse la transformación ferrítica se realiza un enfriamiento en agua que permite mantener las tensiones residuales del material y que no haya ningun tipo de crecimiento de los precipitados

Este tipo de procesos termomecánicos se utilizan de manera generalizada en los aceros para Tubería API y está aumentando su uso en otros sectores ( estructural, calderas y naval ). Esto es debido a la buena soldabilidad y tenacidad que ofrecen.

La fabricación de este tipo de productos conlleva la necesidad de Cajas de Laminación potentes que permitan realizar fuertes deformaciones a temperaturas inferiores a 800ºC.

Page 33: Muy Bueno AHSS

Pro

du

cto

s

ZstE 300 BH Galvanizado

MARCO PLACA MOTOR

Page 34: Muy Bueno AHSS

AHSS EN LA INDUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN.

LA BUSQUEDA POR FABRICAR VEHÍCULOS MÁS LIGEROS Y MÁS

SEGUROS HA LLEVADO A INTRODUCIR ACEROS DE MÁS ALTA

RESISTENCIA . ESTOS ACEROS RECIBEN EL NOMBRE DE AHSS (

ADVANCED HIGH STRENGTH STEELS ).

ESTOS ACEROS PROPORCIONAN UNA EXCELENTE

COMBINACIÓN DE RESISTENCIA MECÁNICA, DUCTILIDAD,

TENACIDAD, CONFORMABILIDAD Y DURABILIDAD.

Page 35: Muy Bueno AHSS

AHSS EN LA INDUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN.

ASÍ TENEMOS:

•ACEROS DE BAJA RESISTENCIA ( ACEROS IF, ACEROS LC)

•ACEROS DE ALTA RESISTENCIA (HSS )

•ACEROS AHSS

• ACEROS DP (FASE DUAL )

•ACEROS TRIP

•ACEROS CP (FASE COMPLEJA )

•ACEROS MS (MARTENSÍTICOS)

•ACEROS FB (FERRITOBAINÍTICOS)

•ACEROS TWIP

•ACEROS PFHT (TRATADOS DESPUES DE CONFORMADO)

Page 36: Muy Bueno AHSS

AHSS EN LA INDUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN.

CARA A SU NOMENCLATURA SE REALIZA COMO:

XXaaabbb donde

XX TIPO DE ACERO

aaa LIMITE ELÁSTICO MÍNIMO EN MPa

Bbb CARGA DE ROTURA MÍNIMA EN MPa

Page 37: Muy Bueno AHSS

AHSS EN LA INDUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN.

Page 38: Muy Bueno AHSS

ACEROS TRIP• TRIP: Transformation Induced Plasticity

–Microstructure compleja con transformación de fase

durante el proceso de estampado

• La Austenita retenida es metaestable y se transformará en

martensita durante el proceso de estampado..

–Muy elevada resistencia

–Buen compromiso resistencia/ductilidad. Re~500,

Rm~800, A~28

Page 39: Muy Bueno AHSS

TRIP: Composición

Ac

ero

s T

RIP

•Estabilizadores de la Austenita

C, Mn

•Inhibidores de la precipitación de Carburos

Si, Al

Page 40: Muy Bueno AHSS

• Dual Phase: Mezcla de una fase « dura » (martensita) y de

una fase « blanda » (ferrita)

Acero Dual Phase

Microestructura de un acero dual phase

Aceros DP450, DP500, DP600, DP 780, DP1000, DP1200, DP1400.

Page 41: Muy Bueno AHSS

• Matriz Ferritica. 10-20% Martensita

• Re/Rm<0.7 (Rm>600 MPa)

• Alto n . Buen nivel de Alargamiento Uniforme

• No tienen palier. Es posible utilizarlos en exposed parts

• Buen nivel de alargamiento total: A%>20 para Rm>600 MPa

• Buen comportamiento a Fatiga

• Alta Tenacidad

• BH>50 MPa

Dual Phase Steels

Page 42: Muy Bueno AHSS

DUAL PHASE Galvanized

-> ,P

460ºC

Page 43: Muy Bueno AHSS

Eje

mp

lo

s A

ce

ro

s D

P

DP 600 GI-Aplicaciones

• Thickness: 2 mm

Pillar-B

Page 44: Muy Bueno AHSS

ACEROS MARTENSÍTICOS

• ESTOS ACEROS OFRECEN LOS NIVELES DE

RESISTENCIA MÁS ELEVADOS DEL MERCADO.

• EL C ES EL ELEMENTO BÁSICO YA QUE COMBINA

TEMPLABILIDAD Y ENDURECE LA MARTENSITA. SE

UTILIZAN ADEMÁS Mn, Si, Cr, Mo, B, V Y Ni PARA

INCREMENTAR LA TEMPLABILIDAD DEL ACERO.

• DURANTE EL PROCESO DE RECOCIDO LA AUSTENITA

SE TRANSFORMA EN SU MAYOR PARTE EN

MARTENSITA.

• SU NIVEL DE CARGA DE ROTURA PUEDE LLEGAR A

1700 MPa. NORMALMENTE SE SOMETEN A REVENIDO

PARA MEJORAR SU DUCTILIDAD.

• DESTACAR LOS ACEROS AL B . SE UTILIZAN

FUNDAMENTALMENTE EN PIEZAS ANTIINTRUSIÓN.

Page 45: Muy Bueno AHSS

Nissan : Micra Renault : Mégane II

Joint elements PIED AV/LONG

LONGERON CENTRAL

M800 Applications

Page 46: Muy Bueno AHSS

ACEROS BAKE HARDENING

•SON ACEROS ENDURECIBLES POR CALENTAMIENTO EN EL

PROCESO DE PINTURA A UNA T DE 170ºC.

PRINCIPIO DEL BH:

Presencia de carbono y nitrógeno libres en solución sólida dentro de la

matriz de ferrita.

Durante el proceso de pintura, estos elementos se

desplazan hacia las dislocaciones, bloqueándolas

Page 47: Muy Bueno AHSS

Que es el efecto BH?

Page 48: Muy Bueno AHSS

Efecto BH

Page 49: Muy Bueno AHSS

Heating Hot Stamping

Typical hot-stamping lines