Aceros Planos Avanzados de Alta Resistencia

June 19, 2017 | Autor: Jorge Madias | Categoria: Metallurgy
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Los nuevos aceros TRIP, TWIP, Q&P y otros están planteando desafíos concretos en diversos campos, como el comportamiento “peritéctico” [1] de algunos de estos aceros, la interacción de los aceros de alto aluminio con los polvos coladores y el control estricto del enfriamiento en el laminador de chapa en caliente, de las condiciones del recocido continuo de la chapa laminada en frío y del galvanizado electrolítico o por inmersión en caliente, para obtener la microestructura necesaria.

DEL LABORATORIO A LA PLANTA

Aceros planos avanzados de alta resistencia Por Jorge Madías, Gerente de empresa Metallon, Argentina

¿POR QUÉ SURGEN NUEVOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA? El desarrollo de los automóviles ha impulsado la investigación y aplicación de diversos tipos de acero, tales como los de alta resistencia libres de intersticiales (IF, por sus iniciales en inglés), los de endurecimiento por calentamiento y los de alta resistencia y baja aleación (HSLA, por sus iniciales en inglés). Es sabido que en general cuando se incrementa la resistencia mecánica de los metales, se pierde la capacidad de darles formas complejas. Los aceros de alta resistencia tradicionales, con resistencia a la tracción de más de 500 MPa, tienden a tener una pobre capacidad de deformación en frío. Esto incluye a los aceros HSLA, los refosforados y los IF de alta resistencia [1]. Para superar esta situación, que limita el desarrollo de partes de formas complejas, que reemplacen a conjuntos soldados simplificando el proceso de fabricación y alivianado los automóviles, se han desarrollado los llamados aceros avanzados de alta resistencia (AHSS, por sus iniciales en inglés). Ocupan el primer lugar, por su amplia aplicación, incluso fuera del campo automotriz, los aceros bifásicos (dual phase o DP), de estructura ferrítico martensítica, a los que hemos dedicado un artículo previo [2]. También se han desarrollado los aceros con plasticidad inducida por la transformación (TRIP) o plasticidad inducida por maclado (TWIP) y los aceros de temple y particionado (Q&P). Todas las siglas corresponden a su denominación en inglés.

Aceros “peritécticos”: se trata de aceros que pasan por una transformación particular durante su solidificación, que está acompañada de un importante cambio de volumen a alta temperatura, cuando la piel de solidificación es débil y, por lo tanto, son propensos a la formación de grietas. [1]

DOSSIER TECNOLÓGICO

FIGURA 1. DIAGRAMA DE ALARGAMIENTO VERSUS RESISTENCIA A LA TRACCIÓN PARA DIVERSOS TIPOS DE ACEROS AUTOMOTRICES [3]

Resistencia a la tracción x alargamiento = 20.000 30.000 50.000 70

Alargamiento (%)

60 50 40 30 20

AHSS 2da Generación TW

IF Mile IS BH CM n

AHSS 3ra Generación

TRIP HSL

A

10 0 200

IP

HSSIF

DP.C

P

Q&P

AHSS 1ra Generación MART

400

600

800

1.000

1.200

1.400

PH 1.600

1.800

2.000

Resistencia a la tracción (MPa)

Para enfatizar los diferentes comportamientos a la deformación de estos aceros, es conveniente situarlos en diagramas con el alargamiento en el eje Y y la resistencia a la tracción en el eje X (FIGURA 1). Los aceros con efecto TRIP ya son producidos por varios de los principales grupos siderúrgicos de aceros planos: ArcelorMittal [4], Posco [5], Nippon Steel & Sumitomo Metals Corporation [6], BaoSteel [3], JFE Steel [7], ThyssenKrupp Steel [8], U.S. Steel [9], Salzgitter [10]. Los aceros TWIP, de concepción más reciente y composición química más compleja, con alto manganeso y alto silicio, están todavía en proceso de desarrollo, aunque Posco ya los está produciendo industrialmente [5]. Estos aceros tienen características

excepcionales que los ubican por encima de los aceros TRIP, en cuanto al alargamiento uniforme, que se ubica entre el 40% y el 90% (FIGURA 2).

¿QUÉ ES EL EFECTO TRIP? La formación de martensita durante el temple de los aceros es conocida. Se inicia a una temperatura definida, a la que se denomina temperatura de inicio de formación de martensita (Ms), que es función de la composición química (sobre todo, del contenido de carbono). Cuando más alto es el contenido de carbono en la austenita, más baja es la temperatura a la que la transformación se inicia. Para realizar el temple, se requiere llevar el acero a una temperatura en que esté totalmente en estado

austenítico. En ese estado tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras, que admite un alto contenido de carbono en solución, en los intersticios que hay entre los átomos de hierro. Al enfriar bruscamente, hay un cambio en la estructura cristalina, que pasa a ser tetragonal. El cambio de estructura es rápido y no da tiempo a que los átomos de carbono se muden a nuevas posiciones dentro de la nueva estructura. Esto lleva a que se genere una estructura cristalina distorsionada, dura y frágil, denominada martensita. Pero además del temple, hay otras formas de producir la transformación a martensita. Puede suceder cuando el material está bajo tensión o bajo deformación. Los rangos de

FIGURA 2. ACERO TWIP DE 980 MPA MANUFACTURADO POR POSCO, EXHIBIDO EN LA CONFERENCIA Y EXPOSICIÓN SOBRE ACEROS DE ALTO MANGANESO, SEÚL, COREA, MAYO 2011 [5]

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FIGURA 3. REGÍMENES DE TEMPERATURA CARACTERÍSTICOS PARA LA TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA INDUCIDA POR TENSIÓN Y POR DEFORMACIÓN

σ

σ

σ

σ

τ α’

γ

γ

α’

γ

temperatura típicos para los diferentes tipos de transformación martensítica se presentan en la FIGURA 3. σ

Al suceder la transformación martensítica por deformación, por ejemplo sobre una chapa de este tipo de acero sometida a tracción, impide que se produzca la estricción, por lo que la chapa puede continuar alargándose uniformemente sin cortarse (ver esquema en FIGURA 4). Este es el efecto TRIP.

¿PARA QUÉ PARTES SE USAN LOS NUEVOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA? El diseño de carrocerías basado en la seguridad frente a accidentes requiere de los aceros de alta resistencia para soportar la carga dinámica que tiene lugar en colisiones. Algunas aplicaciones típicas para la que están recomendados los aceros TRIP son los refuerzos de columnas en B, refuerzos de paragolpes y largueros [4] (FIGURA 5). En cuanto a los aceros TWIP, un ejemplo presentado por Posco es el de un larguero del Fiat Panda, que se fabricaba anteriormente con un acero estructural y un acero bifásico soldados y ahora pasó a hacerse en una sola pieza, con acero TWIP, alivianando el vehículo y simplificando el proceso de producción de la autoparte [5].

Martensita térmica

σ

Martensita inducida por tensión

Ms

σ

Martensita inducida por deformación

Mbσ

Md30 50% a deformación verdadera del 30%

No hay martensita Deslizamiento de dislocaciones Ma

Temperatura

FIGURA 4. ESQUEMA DEL EFECTO TRIP DURANTE LA DEFORMACIÓN

Austenita retenida Vret

Martensita α’

Pequeñas islas de austenita retenida se transforman en martensita de alto carbono, dando como resultado un alto endurecimiento por trabajo. Este fenómeno suprime la estricción y permite que aumente el alargamiento uniforme del acero, sin romperse.

DOSSIER TECNOLÓGICO

FIGURA 5. PARTES EN ACEROS TRIP A

B

A: refuerzo de columna B* en acero electrogalvanizado TRIP 780 de 1,2 mm de espesor. B: refuerzo de paragolpe en el mismo material, pero de 1,6 mm [4]. * Columna B: Algunas partes para vehículos tienen una sección en B para incrementar su resistencia.

¿QUÉ COMPOSICIÓN QUÍMICA TIENEN LOS ACEROS AVANZADOS? En los aceros al carbono con efecto TRIP se procura tener en la chapa que se presenta para el conformado una estructura con ferrita, bainita y austenita retenida. Esta microestructura se obtiene con aceros de 0,15%-0,20% C, 1,2%-1,5% Mn y 1%-1,5% Si. En algunos casos se reemplaza Si en forma parcial o total con Al y/o P. Se necesita silicio para inhibir la indeseable precipitación de carburo de hierro (Fe3C). Al no formarse Fe3C, la austenita retenida se enriquece en carbono durante su transformación isotérmica a bainita. En el rango del 0,5% al 1,5%, la adición de silicio da como resultado un alargamiento creciente y uniforme, que facilita el conformado debido a la cantidad creciente de austenita retenida. En los aceros laminados en caliente, el silicio tiene también un efecto favorable importante: promover la formación de algo de ferrita equiaxiada a alta temperatura [1]. El manganeso se adiciona para suprimir la descomposición de la austenita a alta temperatura. También

CUADRO 1. INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LOS ACEROS CON EFECTO TRIP [1] Elemento

Influencia

C 0,1%-0,2%

Determina la distribución de fases. Determina la estabilidad de la austenita retenida. Es el principal endurecedor de la martensita. Reduce la tenacidad de la martensita en placas. Determina la fracción de austenita retenida en la microestructura. Está limitado por consideraciones de soldabilidad.

Mn

Estabiliza la austenita. Reduce la actividad del carbono en la ferrita. Suprime la formación de perlita. Incrementa la resistencia de la ferrita.

Si, Al, P

Rechazan el carbono a la austenita durante la transformación isotérmica a vainita. Suprimen la formación de carburo de hierro, Fe3C. Estabilizan la ferrita. Aceleran la formación de ferrita equiaxiada a alta temperatura. Endurecen la ferrita (Si y P). El aluminio no endurece la ferrita y puede requerir que se adicione más carbono.

Cr, Mo

Decrecen la actividad del carbono en la ferrita. Frenan la formación de perlita.

inhibe la formación de perlita y estabiliza la austenita retenida, necesaria para el efecto TRIP en el conformado. En el CUADRO 1 se resume la influencia de los elementos de aleación principales.

Los aceros TWIP, a su vez, tienen alto contenido de manganeso de entre el 15% y el 25%, acompañado de silicio y aluminio [1].

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Las particularidades de la composición química generan desafíos que deben ser superados en la acería para poder producirlos sin inconvenientes, en la colada continua, laminación en caliente, laminación en frío y galvanizado. Esto se analiza a continuación.

DESAFÍOS PARA LA ELABORACIÓN Y AFINO DE LOS ACEROS AVANZADOS Con respecto a los aceros TRIP, no se han presentado trabajos específicos sobre la aceración y la metalurgia secundaria. En cambio los aceros TWIP, por su alto contenido de manganeso, presentan desafíos específicos en estas etapas. Deben agregarse grandes cantidades de ferromanganeso, con el consiguiente consumo de energía para fundirlo y el aporte de fósforo por parte de la ferroaleación, que es significativo. Por ello se está estudiando la carga de ferromanganeso en estado líquido y analizando la forma de acortar el tiempo de afino que el alto contenido de fósforo del baño requiere [11]. Esto requiere el diseño de escorias de baja viscosidad, para facilitar su interacción con el acero y alta capacidad de fosfato. Muchas de las propiedades termoquímicas para sistemas con alto MnO son desconocidas. Esto ha llevado a que las empresas interesadas en desarrollarlos, junto con las instituciones de investigación que las respaldan, estén estudiando el tema. A título de ejemplo, la Universidad de Corea y la Universidad de Ulsan están utilizando dos técnicas para la determinación de varios parámetros termoquímicos de la escoria: levitación electrostática (ESL, por sus iniciales en inglés) y gota inmovilizada (sessile drop) (CUADRO 2).

CUADRO 2. PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DEL SISTEMA Fe-Mn-X (X=C, Si, Al) ESTUDIADAS PARA LA ELABORACIÓN Y AFINO DE ACEROS TWIP Parámetro

Método de la gota inmovilizada

Levitación electrostática

Tensión superficial





Densidad



Viscosidad



Temperaturas de cambio de fase



Emisividad total



Elaboración propia sobre información de referencia [11].

COLADA CONTINUA DE ACEROS AVANZADOS: TRES ASPECTOS NOVEDOSOS Cuando los nuevos aceros contienen tenores elevados de aluminio, hay dos aspectos que se presentan en la colada continua convencional: el comportamiento peritéctico para tenores de carbono en lo que esto no se esperaría, y la interacción entre el polvo colador y el acero. Un tercer aspecto es la aplicación de una tecnología de colada continua de flejes para fabricar estos aceros.

Comportamiento “peritéctico” inesperado Al colarse aceros TRIP con más del 0,20% de carbono y más del 1,5% de aluminio, se verificó en una planta de ArcelorMittal una solidificación irregular, típica de un acero “peritéctico”, algo que el cálculo usual de carbono equivalente no permitía prever [12]. Esto llevó al desarrollo de nuevas formas de calcular la influencia de elementos como aluminio, manganeso y silicio, así como otros elementos, sobre los puntos del diagrama hierro-carbono que son relevantes para la transformación peritéctica (FIGURA 6). Estos puntos son el correspondiente a la máxima solubilidad del carbono en la ferrita δ (Cδ), el correspondiente a la transformación peritéctica (Cγ) y el correspondiente a la intersección

entre la línea de líquidos y la temperatura de la reacción peritéctica (Cliq). Algo similar sucedió también en ThyssenKrupp Steel [13]. Mientras en ArcelorMittal, se empleó el programa de termodinámica computacional ThermoCalc, en ThyssenKrupp Steel se utilizó el FactSage. En la FIGURA 7 se presenta la influencia de diversos elementos sobre el punto Cδ. Se destaca la fuerte influencia del aluminio, desplazando hacia arriba el valor de Cδ, en tanto que el silicio y el manganeso actúan en la dirección opuesta, pero mucho más débilmente. El Cδ es el más importante desde el punto de vista de los efectos negativos de la transformación peritéctica, ya que en su entorno se encuentran siempre los problemas de solidificación irregular, grietas longitudinales, etcétera.

Problemas con el polvo colador Las particularidades de la composición química de algunos de los aceros avanzados de alta resistencia, se han manifestado en el molde de la colada continua de otra forma, además de la solidificación inicial irregular ya mencionada: la interacción entre el acero y el polvo colador. Esto se ha observado en particular con los aceros de alto contenido de aluminio. Se han realizado diversas investigaciones al respecto (5, 14, 15).

DOSSIER TECNOLÓGICO

1.540

Líquido

Cδ Au ste nit a

Ferrita δ

Cliq FIGURA 6. DIAGRAMA DE FASES Fe-C EN LA REGIÓN DE LA TRANSFORMACIÓN PERITÉCTICA, MOSTRANDO LOS TRES PUNTOS A CALCULAR [13]

Cγ Austenita + líquido

Fer rita δ

+

Temperatura (°C)

Ferrita δ + líquido

Austenita

1.420

0

0,1

0,16

0,52

0,6

Carbono (%)

0,12 AI 0,11

*

S

V

P Carbono δ (%)

0,1 Mo 0,09

Si

0,08 Ti

N

Sn Cu

Nb

Ni

0,07

0,06

FIGURA 7. EFECTO DE DIVERSOS ELEMENTOS SOBRE EL PUNTO Cδ DEL DIAGRAMA HIERROCARBONO

0

0,2

0,4

0,6

Mn

0,8 1 1,2 1,4 Elemento de aleación (%)*

1,6

1,8

2

Observar la fuerte influencia del aluminio, presente en valores de hasta el 1,5% en algunos de los aceros avanzados de alta resistencia [13].

El aluminio disuelto en el acero reacciona con la sílice del polvo, formando silicio metálico que revierte al acero y alúmina, que se absorbe en el polvo colador y termina en la escoria de molde (FIGURA 8).

A medida que el porcentaje de Al2O3 crece y el de SiO2 baja, las propiedades del polvo colador se modifican, en particular la viscosidad. Esto determina un comportamiento inadecuado del

polvo y un empeoramiento de la calidad superficial de los planchones (FIGURA 9A). Existen diversas estrategias para resolver ese problema. Una de ellas ha sido desarrollada por Posco, y consiste en la adición

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de polvo colador prefundido y la utilización de una cámara infrarroja que monitorea las condiciones vigentes en el menisco de la colada continua. Esto se ha descrito con más detalle en otro artículo publicado en Acero Latinoamericano [16]. En la FIGURA 9 se presenta el aspecto de la superficie de los planchones de acero TWIP antes y después de la adopción de esta técnica, denominada comercialmente Pocast.

30 Contenido de Al2O3 en la escoria de molde (%)

FIGURA 8. EVOLUCIÓN DEL CONTENIDO DE ALÚMINA EN LA ESCORIA DE MOLDE DURANTE UNA COLADA DE ACERO TWIP DEL 1,5% DE ALUMINIO, CON ADICIÓN CONVENCIONAL DE POLVO COLADOR Y ADICIÓN DE POLVO COLADOR PREFUNDIDO (POCAST) [5]

25

20

15

10

5

0

0

20

40 Longitud colada (m)

60

80

FIGURA 9. ASPECTO SUPERFICIAL DE PLANCHONES DE ACERO TWIP CON EL 1,5% DE ALUMINIO PRODUCIDOS EN POSCO KWANGYANG, ANTES Y DESPUÉS DE LA ADOPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA POCAST [5] A

B

También Posco estudió la adición de óxido de litio al polvo colador, para compensar el incremento de viscosidad producido por la alúmina [15].

Colada continua de flejes para aceros avanzados. ¿Por qué? Una de las tecnologías aplicadas para la colada continua de flejes es la del belt caster, donde el acero se solidifica sobre un transportador horizontal. La siderúrgica alemana Salzgitter instaló una máquina de este tipo, diseñada y construida por SMS Siemag, con el propósito de desarrollarla para la producción de los aceros avanzados de alta resistencia, que esta empresa denomina “aceros de alta resistencia y ductilidad”, HSD por sus iniciales en inglés [17]. En la FIGURA 10 se presenta un esquema de esta instalación, preparada para producir 25.000 t/año [17]. La línea de producción se alimenta con una cuchara de 80 t y tiene una longitud total de 60 m, de los cuales 11

corresponden a la máquina de colada continua. Se pueden producir flejes de 8 a 15 mm de espesor que pueden luego ser laminados a espesores de, por ejemplo, 2 a 5 mm. Las razones que se han argumentado para la utilización de estas máquinas para los aceros avanzados de alta resistencia (particularmente los aceros TWIP), más allá de las ventajas típicas de los procesos de colado cerca de la forma final, son de dos tipos [18]:

• Que algunos de estos aceros tienen alta susceptibilidad al agrietamiento, por lo que el doblado típico de las máquinas de colada continua convencionales o de planchones delgados los afectaría. • Que la alta resistencia significa que endurecen por trabajo en forma muy rápida, lo que haría muy costoso y dificultoso el proceso de deformación en laminadores convencionales.

DOSSIER TECNOLÓGICO

Sin embargo, debe enfatizarse que, como se mencionaba anteriormente, estos aceros están siendo colados en Posco en una máquina de colada continua convencional.

FIGURA 10. MÁQUINA DE COLADA CONTINUA DE FLEJES HORIZONTAL PARA PRODUCCIÓN DE ACEROS AVANZADOS [18] Cuchara en grúa Inertización

Colada continua

ACEROS CON EFECTO TRIP LAMINADOS EN CALIENTE

Las particularidades del enfriamiento en dos etapas hacen que para poder obtener productos con efecto TRIP en el laminador de chapa en caliente sea conveniente disponer de una sección de enfriamiento prolongada.

ACEROS CON EFECTO TRIP LAMINADOS EN FRÍO: TRATAMIENTO TÉRMICO Una vez que la chapa ha sido laminada en frío, la microestructura deseada se obtiene mediante un tratamiento térmico en dos etapas, que consiste en un recocido

Zona de igualación

Cizalla

Mesa de rodillos Pileta de enfriamiento Rodillos de arrastre

Repartidor

Pilas

Agitador longitudinal (freno electromagnético) Transporte por tren

Agitador transversal Rastrillo de argón 60 m

FIGURA 11. PROCESAMIENTO DE ACERO CON EFECTO TRIP EN EL LAMINADOR DE CHAPA EN CALIENTE [1] γ: 0,15-0,2% C

α+γ (0,4% C)

Temperatura

La microestructura necesaria se obtiene después de un enfriamiento en dos etapas, en la mesa de enfriamiento y el bobinado. Luego de la laminación en caliente, se hace la transformación de austenita a ferrita a una primera temperatura intermedia y luego se hace la transformación isotérmica bainítica a una temperatura inferior a 500°C; esta última sucede a la temperatura de bobinado. Durante esta transformación, queda austenita retenida enriquecida en carbono sin transformar. La microestructura final de la chapa laminada en caliente con efecto TRIP consiste en ferrita equiaxiada, bainita libre de carburos y el 10% en volumen de austenita retenida con una temperatura de inicio de formación de martensita Ms por debajo de la temperatura ambiente. En la FIGURA 11 se presenta esquemáticamente este proceso.

Virador

Ferrita proeutectoide

TF: 800°C-900°C Perlita Ms (0,2% C)

α+γret (1,2% C) + bainita TI: 350°C-450°C

20°C Ms (1,2% C)

Tiempo

Ms: temperatura de inicio de formación de martensita; TF: transformación ferrítica; TI: transformación isotérmica a bainita; γ: austenita; γret: austenita retenida; α: ferrita.

intercrítico [2] y una transformación isotérmica a bainita. Generalmente en este tratamiento se evitan las temperaturas mayores a 500°C, para

suprimir la indeseable formación de perlita degenerada en la microestructura.

Recocido intercrítico: tratamiento térmico realizado a una temperatura por debajo de aquella en que la austenita comienza a transformase en ferrita (en los aceros de menos del 0,8% C) y por encima de la temperatura a la que la austenita remanente se transforma a perlita (temperatura eutectoide). [2]

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Estos tratamientos son factibles de ser realizados en instalaciones de recocido continuo.

ACEROS CON EFECTO TRIP GALVANIZADOS: DOS DESAFÍOS Como se analizara en un artículo previo de Acero Latinoamericano, existen dos desafíos que estos aceros proponen para poder ser sometidos a este proceso [19]: • Los elementos de aleación que son necesarios para lograr el efecto TRIP pueden segregar a la superficie y formar óxidos que dificultan la aplicación del galvanizado. • Es necesario compatibilizar la temperatura del baño de galvanizado con la del tratamiento térmico a realizar para obtener las propiedades requeridas, que es menor.

Aplicación del galvanizado Antes del galvanizado por inmersión en caliente, los aceros TRIP deben ser sometidos a un recocido intercrítico de cristalización. Este se realiza en una atmósfera de nitrógeno con el 10% de hidrógeno, que reduce los óxidos de hierro presentes en la superficie de la chapa luego de la laminación en

FIGURA 12. ESQUEMA DEL RECOCIDO INTERCRÍTICO CONTINUO DE CHAPA LAMINADA EN FRÍO DE ACERO CON EFECTO TRIP [1] 1.000

1.000 Ae3 50 vol-% γmt

900

900

γ

800

800

700

700

600

600

v → ferrita Temperatura (C°)

El principio del procesamiento de la chapa laminada en frío de acero con efecto TRIP se presenta en la FIGURA 12. En la región intercrítica, la temperatura que se alcance determinará la fracción en volumen de ferrita equiaxiada. Durante la transformación bainítica isotérmica a menos de 500°C, se forma ferrita bainítica y austenita enriquecida en carbono. Esta transformación determina la fracción en volumen y el contenido de carbono de la austenita retenida. En la microestructura preferida, el rango de temperatura de inicio de formación de martensita y fin de formación de martensita (Ms-Mf) debería estar totalmente por debajo de la temperatura ambiente.

500

500

T0 γ ⇒ γB + γret

400

v → bainita

400

Ms

300

Bs

Ms

300

200

Transformación incompleta

200

100

Ctot

Cγmt

CT0

0

100 0

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Carbono (%)

0

10

100

Tiempo (s)

Ms: temperatura de inicio de formación de martensita; Bs: temperatura de inicio de formación de bainita; γ: austenita; γret: austenita retenida; α: ferrita; Ctot: carbono total.

frío. Pero bajo estas condiciones, los elementos de aleación requeridos para los aceros TRIP, como el Si y el Mn, que tienen una fuerte afinidad con el oxígeno, segregan a la superficie y se oxidan en capas muy delgadas. Estos óxidos dificultan la adhesión de la capa de galvanizado (FIGURA 13A). La adhesión mejoraría si se lograra que la capa de óxido fuera fragmentada (FIGURA 13B) o que los óxidos se formaran internamente (FIGURA 13C). El punto de rocío de la atmósfera utilizada durante el tratamiento térmico influencia la formación de óxidos. Cuando es más alto, o sea que la humedad relativa es menor, hay menos óxidos en la superficie. Esto se debería a que la presión parcial de oxígeno es más alta y hay más difusión de oxígeno en el acero. Los elementos de aleación se oxidan antes

que tengan tiempo de segregar a la superficie, generando óxidos internos (FIGURA 13C). De esta forma en la superficie hay menos óxidos y el cinc fundido se adhiere con más facilidad [21]. Este criterio se está aplicando industrialmente; por ejemplo, ThyssenKrupp Steel está fabricando diversos aceros galvanizados de alta resistencia con estas características [22]. Voestalpine Stahl Linz produce unas 300.000 t/año de aceros de este tipo, incluyendo el acero 22 MnB5 templable [23]. Una forma de soslayar este problema es la de sustituir parcial o totalmente el Si por el Al, que también causa el efecto TRIP, pero no segrega a la superficie y no da lugar a la formación de óxidos superficiales [24]. Además, la adición de aluminio permite acelerar la transformación bainítica isotérmica [1].

DOSSIER TECNOLÓGICO

PARTICULARIDADES DE LOS ACEROS TWIP Estos aceros tienen una estructura austenítica que durante el conformado sufre un cambio de la orientación cristalina al que se denomina maclado (twinning). La consecuencia es que se obtiene un acero con muy alta capacidad de deformación y muy alta resistencia. Las investigaciones iniciales sobre estos aceros no despertaron interés industrial. Durante los intentos de producción a escala industrial se produjeron muchas dificultades. Además, existía la percepción que estos aceros eran proclives a dos fenómenos perjudiciales: la fractura demorada y el envejecimiento por deformación dinámico. Pero recientemente se despertó un renovado interés en su desarrollo, por dos razones [27]: • El descubrimiento de los efectos beneficiosos de la adición de aluminio para suprimir el fenómeno de la fractura demorada. • La fuerte demanda de la industria automotriz por aceros de alta formabilidad y ultra alta resistencia, para desarrollar automóviles más livianos y seguros. Como ejemplo de la capacidad de deformación, comparada con la de los aceros libres de intersticiales utilizados habitualmente, se observa en la FIGURA A el resultado del ensayo de embutido denominado Nakashima. Estos aceros, para poder tener estructura austenítica a temperatura ambiente, requieren de altos contenidos de manganeso. Hacia 2008 se habían desarrollado aceros TWIP de tres tipos: 1) 25% al 30% de manganeso, 3% de silicio y 3% de aluminio; 2) 22% manganeso, 0,6% carbono; y 3) 18% manganeso, 1,5% aluminio y 0,6% carbono. Actualmente, las consideraciones de costo y las

A

B

Cinc

Acero libre de intersticiales

Dirección de laminación

Acero TWIP

Dirección de laminación

excelentes propiedades mecánicas obtenidas con tenores de manganeso más bajos, son los motores principales de la investigación. El esfuerzo mundial de desarrollo sugiere que la producción industrial se enfocará muy probablemente en aceros con el 15% de manganeso. Seguramente estos aceros no se limiten a la industria automotriz (autos, camionetas, utilitarios, camiones, ómnibus), sino que se apliquen también en ferrocarriles, construcción de barcos, tuberías y en aplicaciones especiales que requieren paneles no magnéticos [27]. Quedan todavía muchos desafíos para la investigación básica y para la producción y aplicación masiva de estos aceros. Algunos de ellos son compartidos con los aceros TRIP y se detallan en el cuerpo principal del artículo.

C

FIGURA 13. ESQUEMA DE LA LOCALIZACIÓN DE LOS ÓXIDOS DE SI Y MN FORMADOS DURANTE EL RECOCIDO INTERCRÍTICO [20]

Cinc

Cinc

Óxidos

FIGURA A. COMPARACIÓN DE MUESTRAS DEL ENSAYO DE EMBUTIDO NAKASHIMA, PARA CHAPAS DE ACERO LIBRE DE INTERSTICIALES Y CHAPA DE ACERO TWIP [27]

Óxidos Óxidos

Acero Película continua

Acero

Acero Fragmentos

Internos

A: capa continua que dificulta el galvanizado; B: fragmentación de los óxidos; y C: formación de los óxidos bajo la superficie.

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También se han propuesto otros caminos más costosos para evitar las dificultades originadas por la oxidación superficial: una precobertura electrolítica con níquel o la adición de cobre y níquel como elementos de aleación en el acero [21]. Esto último se ha concretado para aceros con alto contenido de Si y Mn, y da como resultado una combinación de lo que se observa en las FIGURAS 11B y 11C: óxidos fragmentados e internos, en lugar de una película continua.

fundido. Esto implica una cinética de transformación acelerada, con más posibilidades de precipitación de carburos.

Compatibilidad del tratamiento térmico con el baño de galvanizado

Se pueden usar temperaturas de tratamiento isotérmico más altas, compatibles con las temperaturas de baño de cinc, siempre que se utilicen en altas velocidades de enfriamiento luego del recocido intercrítico y tiempos más cortos de tratamiento isotérmico para la transformación a bainita. Para lograr este enfriamiento rápido se ha requerido identificar y modelar los parámetros de diseño que controlan la transferencia de calor por convección entre el gas y la chapa y la vibración de la chapa, llevando cabo estudios térmicos y de vibraciones, incluyendo simulaciones físicas y numéricas en ensayos a escala piloto [26].

El tratamiento en dos etapas requerido para producir en la microestructura deseada en los aceros TRIP, consiste en el ya mencionado recocido intercrítico, seguido de un tratamiento isotérmico por encima de la temperatura de comienzo de formación de la martensita (Ms), a unos 400°C, para la precipitación de bainita. Para el galvanizado, la temperatura de este tratamiento debe ser elevada a unos 465°C, para ser compatible con el baño de cinc

La precipitación de carburos es indeseable porque se obtiene menos austenita retenida y la que se obtiene posee menor contenido de carbono a temperatura ambiente, lo que la hace menos estable e induce una transformación perjudicial rápida de la austenita retenida a martensita durante la deformación.

CONCLUSIONES El desarrollo de nuevos aceros continúa día a día y año tras año. Los aceros avanzados de alta resistencia con sus extraordinarias combinaciones de alargamiento y resistencia mecánica están llamados a ocupar un lugar creciente en la industria automotriz y seguramente el concepto se va a extender a los productos largos y la aplicación se expandirá a otras industrias. Estos aceros contribuyen decisivamente a alivianar los vehículos, disminuir el consumo de combustible y las emisiones, además de hacerlos más seguros en caso de accidentes. Para su producción masiva se requiere superar los problemas que se presentan durante las diversas etapas de su fabricación y aplicación. El esfuerzo que está realizando la industria siderúrgica y las instituciones de investigación que la rodean, asegura que este objetivo será logrado. ••

DOSSIER TECNOLÓGICO

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