Aceros Automocion.pdf

Información para el instructor

El acero en la carrocería

6750-072Edic.: 1 (11-03)

No se permite la reproducción total o parcial de este cuaderno, ni el registro enun sistema informático, ni la transmisión bajo cualquier forma o a través decualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por grabación opor otros métodos, sin el permiso previo y por escrito.

TÍTULO: El acero en la carroceríaAUTOR: Organización de ServicioSEAT S.A. Sdad. Unipersonal. Zona Franca, Calle 2.

1.a edición

FECHA DE PUBLICACIÓN: Noviembre 03

Estado técnico 11.03. Debido al constante desarrollo y mejora delproducto, los datos que aparecen en el mismo están sujetos aposibles variaciones.


3

1. INTRODUCCIÓN ...............................................

1.1. Estructuras cristalinas.

1.2. Propiedades mecánicas.

4 - 6

2. EL ACERO ........................................................

2.1. Composición química.

2.2. Tratamientos.

6 -15

3. ACEROS EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE

CARROCERIAS DE AUTOMOVILES ........................

3.1. Endurecimiento por solución sólida.

3.2. Endurecimiento por afino de grano y precipi-

tación.

3.3. Bake-hardening.

3.4. Endurecimiento mediante fases duras.

16- 23

4. RECUBRIMIENTOS SUPERFICIALES ...................

4.1. Galvanizado al fuego

4.2. Galvannealed

4.3. Electrocincado

24-26

ÍNDICE

EL ACERO EN LA CARROCERÍA

El acero es el material más empleado en la cons-

trucción tanto de carrocerías de automóviles como

de otras aplicaciones (estructuras, ferrocarriles,

barcos, máquinas herramienta, etc.). Ofrece

muchas ventajas sobre otros materiales:

- Abunda en la naturaleza, siendo fácil y barata su

explotación.

- El procedimiento de fabricación es relativamente

fácil y económico.

- Tiene un amplio rango de propiedades mecáni-

cas, variable según el proceso de fabricación, ade-

cuandose así al uso específico que se le va a dar.

- Gracias a su plasticidad permite obtener piezas

de formas geométricas complicadas.

- Las técnicas aplicadas en la reparación de piezas

de acero son sencillas y eficientes.

- Es fácil reciclarlo una vez finalizado su uso.

Todo y ello su empleo se ve condicionado en

determinadas ocasiones por las ventajas que ofre-

cen otros materiales en aplicaciones concretas,

por ejemplo el aluminio muy empleado en avia-

ción por su ligereza, o el hormigón empleado en la

construcción por su mayor resistencia al fuego, o

los materiales cerámicos cuando deben soportar

elevadas temperaturas.

En definitiva la continua evolución en los tipos de

aceros, lo convierten en un material muy apto en

la construcción de carrocerías de automóviles.

4

1. INTRODUCCIÓN

Detrás del concepto "acero", existen numerosos conceptos científicos y tecnológicos que es necesario

tener presentes para conseguir el tipo de acero más adecuado y económico a la aplicación que se le

quiere dar. En este capítulo se hace un breve repaso a la disposición microscópica del acero y las propie-

dades mecánicas del mismo.

1.1. ESTRUCTURAS CRISTALINASCualquier materia independientemente del estado en el que se encuentre (gas, líquido o sólido) está

compuesta por átomos de diferentes tipos (hierro, sodio, oro, nitrógeno, oxígeno, etc.).

Los átomos se comportan como esferas sólidas, variando el tamaño en función de la naturaleza del

mismo. La unidad de medida empleada en la medición de los átomos es el Angstrom. Un Angstrom es

igual a 10-7 mm, es decir un milímetro contiene 10 millones de Angstroms.

Por ejemplo un átomo de hierro =1,24 Angstroms; un átomo de niquel=1,25 Angstroms; un átomo de

oxígeno=0,6 Angstroms.

La forma en que se unen y organizan los átomos de un material sólido entre sí se denomina "estructuracristalina", existen catorce tipos diferentes. El tipo de estructura cristalina determina aspectos caracte-

rísticos del material como son la densidad, la dureza o la temperatura de ebullición, entre otros.

Cúbica

EJEMPLOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Cúbica centrada en las caras

Cúbica centrada en el cubo

75007-01

Hexagonal

A diferencia de los sólidos los átomos en los materiales líquidos se encuentran en movimiento aleatorio,

sin guardar una posición fija. Cuando los materiales se solidifican al ser enfriados, el movimiento de los

átomos cesa y estos pueden adoptar un orden definido y tridimensional, que origina la "estructura cris-

talina"


5

Las propiedades mecánicas de los materiales

se determinan a partir de unos experimentos

de laboratorio, siendo el más común la

prueba de tracción. Para esta prueba se utili-

zan probetas del material en estudio, las cua-

les son estiradas progresivamente. Todas las

probetas han de tener un tamaño y una forma

normalizada para poder comparar los resulta-

dos obtenidos en diferentes materiales.

Durante la prueba se registra simultánea-

mente la carga necesaria para deformar la

probeta hasta su rotura y la deformación

sufrida, con ello es posible trazar la curva delesfuerzo (la carga relacionada con la sección

inicial de la probeta), en función de la defor-mación (expresada en porcentaje de alarga-

miento en relación con la longitud inicial de la

probeta). Así se traza de la curva de tracción

cuya forma aparece en la figura.

Un análisis detallado de la curva de tracción

ofrece numerosas y precisas informaciones, entre las que cabe destacar: la zona elástica del material, el

límite elástico, la zona de cedencia, la zona plástica, el alargamiento, la carga instantánea y la carga

máxima.

Con tal de comparar correctamente los valores de resistencia la unidad empleada por el sistema interna-

cional de medida es el Pascal (Pa), como son valores muy elevados, es muy común emplear el MegaPas-cal (MPa); 1MPa = 1.000.000 Pa. Todo y que también se puede encontrar en alguna literatura el uso del

Newton (N) entre milímetro cuadrado, es decir: N/mm2 . Téngase presente que 1MPa = 1 N/mm2

Límite elástico (Re):

Es el valor máximo de carga instantanea para el cual las deformaciones sufridas por la probeta son

reversibles al desaparecer la misma, y delimita la zona elástica de la zona plástica. Las unidades

empleadas son los MPa.

Según la naturaleza del material puede existir la "zona de cedencia (Ap)". Esta transición se hace de

manera progresiva, normalmente se da una definición convencional del límite elástico medido a un

valor de alargamiento del 0,2% y se denomina como Rp 0,2.

1.2. PROPIEDADES MECÁNICAS

Carga unitaria (MPa)

Alargamiento (%)

Re

Rp

Ap

C

75007-02

Zona

elástica

Zona

plástica

Zona de

cedencia

CURVA DE TRACCIÓN

6

Carga máxima alcanzada durante la prueba de tracción (Rp), o Resistencia a la rotura:

A partir de este punto, la deformación empieza a aparecer en forma de estricción, es por esta razón lo

que explica el descenso del esfuerzo necesario para una deformación adicional más allá del punto Rp.

Punto de ruptura:Punto en el que se rompe la probeta (punto C en la gráfica). Una vez rota se observa, como en la mayor

parte de los casos, queda en la probeta un valor remanente de alargamiento.

2. EL ACERO

Uno de los materiales más empleados en la construcción de carrocerías de vehículos es el acero.

Se considera acero a la aleación de hierro y carbono, donde la proporción de carbono sea inferior al

1,7%, porcentajes mayores dan origen a las fundiciones. Otros elementos como el níquel, manganeso,

fósforo, silicio, cromo, etc, presentes en porcentajes muy bajos determinan las familias de aceros.

Existen multitud de aceros, cada uno de ellos tienen una composición y unas propiedades distintas. Los

aceros son una aleación de diferentes metales, en las que el hierro es el elemento que aparece en mayor

porcentaje y el carbono el elemento que influye de forma más decisiva en las propiedades, característi-

cas y tratamientos del acero.

A partir del material de hierro y el carbono existentes en la naturaleza se obtiene el arrabio, este se

somete a un proceso de afino en el que se añaden o retiran diferententes elementos de aleación

(níquel, fósforo, silicio, cromo, titanio, aluminio, etc.) dando por resultado el acero. Según la aleación

resultante se obtienen las familias de acero, desde las más rígidas hasta las más maleable.

Las propiedades mecánicas de un acero son el resultado de una combinación de varios parámetros defi-

nidos durante el proceso de fabricación del acero, cuyos dos principales son:

- la composición química

- el tratamiento

2.2. COMPOSICIÓN QUÍMICACada tipo de acero en estado sólido tiene una estructura cristalina propia, dicha estructura le confiere

unas cualidades mecánicas las cuales pueden reconocerse mediante una análisis metalográfico.

Un aspecto muy importante en la obtención del acero es la velocidad con la que se calientan y enfrían

las materias primas tanto en el proceso de obtención como en los procesos posteriores.

Si se estudia el hierro en estado puro se observa como en función de la temperatura, ya sea al aumentar

como al disminuir, el hierro transforma su estructura cristalina variando sus propiedades magnéticas y

de solubilidad.

Con tal de facilitar la comprensión de las propiedades de cada acero, en las próximas páginas se explica

primero el comportamiento del hierro puro, a continuación como se comportan las aleaciones compues-

tas de hierro y carbono; y por último las aleciones de hiero, carbono y otros componentes.


7

Antes de estudiar el acero hay que tener claro las temperaturas de transformación en las que el hierro

puro cambia su estructura cristalina, es decir reordena la posición de sus átomos. Este reordenamiento

toma un cierto tiempo durante el cual la temperatura se mantiene constante, estas temperaturas de

cambio de estructura se llaman "puntos críticos". Durante el enfriamiento ocurre lo contrario.

1535

1400

910

790

0

TEMPERATURAS (oC)

TIEMPO (min.)

Hierro alfa o Ferrita

Hierro

beta

Hierro Gamma

Hierro delta

Hierro líquido

0 90 0 90

1535

1400

898

750

0

EN

FRIA

MIE

NTO

DE

L A

CE

RO

CA

LE

NTA

MIE

NTO

DE

L A

CE

RO

75007-03

DIAGRAMA DEL HIERRO PURO

2.1.1. HIERRO PURO: "DIAGRAMA DEL HIERRO"

Entre los 0 y 750o C de temperatura el hierro recibe el nombre de "hierro alfa" o "ferrita", este adopta la

estructura cristalina centrada en el cubo, formada por nueve átomos de hierro. El hierro alfa es muy mag-

nético y no disuelve el carbono.

Si se sigue calentando el hierro, entre los 750 y los 900o C se denomina "hierro beta", continua siendo

una estructura cristalina centrada en el cubo, la cual tampoco disuelve el carbono y pierde parte del

magnetismo.

Entre los 900 y 1400o C se denomina "hierro gamma". Aquí la estructura cristalina pasa a ser cúbica cen-

trada en las caras y la constituyen 14 átomos de hierro. El hierro gamma se caracteriza por no ser magné-

tico y ser disolvente del carbono.

Entre los 1400 y 1535o C el hierro se encuentra en estado de plasma y se conoce como "hierro delta". La

estructura cristalina es cúbica centrada en el cuerpo, debido a que aparece a muy elevadas temperatu-

ras tiene poca importancia en el estudio de los tratamientos térmicos.

A temperaturas superiores a 1535oC el hierro puro se encuentra en estado líquido.

8

Téngase presente que el calor absorbido en los puntos críticos de transformación, se emplea en el cam-

bio de estructura cristalina, razón por la que no se observa elevación de la temperatura.

En resumen, según sea la temperatura a la que se encuentre, los átomos de hierro se agrupan en dife-

rentes estructuras cristalinas, con propiedades magnéticas y de solubilidad del carbono diferentes.

2.1.2. ALEACIÓN DE HIERRO Y CARBONO "DIAGRAMA HIERRO CARBONO"El estudio metalográfico de los aceros "puros", formados únicamente por átomos de hierro y átomos de

carbono, indica que en función de la temperatura y el porcentaje de carbono el acero cristaliza en dife-

rentes compuestos. Se consideran aceros, las alaeaciones de hierro carbono cuyo contenido de este

último material sea inferior al 1,7% .

Temperatura (ºC)

% de Carbono

LÍQUIDO

AUSTENITA + Líquido

AUSTENITA

AUSTENITA +

CEMENTITA

PERLITA +

CEMENTITA

PERLITA +

FERRITA

75007-04

0,008 0,9 1,73

0

738

910

1145

1492

1535

FERRITA +

AUSTENITA

Comienza a solidificar la austenita

Finaliza la solidificación de la austenita

Separación de la ferrita

Separación de la cementita

Separación de la Perlita

Separación de la Perlita

Perl

ita

DIAGRAMA HIERRO CARBONO

738

1145


9

Interpretación del "diagrama hierro carbono":El "eje x" del diagrama indica el porcentaje de carbono que contiene el acero, mientras que el "eje y" la

temperatura del mismo.

Las líneas trazadas en el diagrama indican los puntos críticos, es decir los puntos en los que el acero

cambia de estructura cristalina; según sea el porcentaje de carbono, la temperatura en la que se pro-

duce el cambio de estructura varia.

Las áreas delimitadas por los puntos críticos indican la estructura cristalina que adopta el acero en cada

caso.

A altas temperaturas el acero está fundido y todos los materiales que lo componen están disueltos, al

igual que la sal en el agua.

A medida que se enfría, y de la misma forma que la sal se solidifica antes que los cristales de hielo, el

hierro y el carbono se solidifican denominándose "cristales de austenita" (la temperatura de solidifica-

ción varía según sea el porcentaje de carbono).

Si la temperatura sigue bajando, la aleación se solidifica totalmente en austenita.

A temperaturas inferiores a los 740oC aproximadamente la austenita se puede transformar en dos

estructuras aspecto que depende del porcentaje de carbono en la aleación:

- si el porcentaje es inferior al 0,9% de carbono, la austenita pasa a convertirse en perlita y ferrita distri-

buidos en forma de cristales en el acero.

- si el porcentaje es de 0,9% de carbono, el acero únicamente tiene cristales de perlita combinados.

- si el porcentaje se encuentra entre el 0,9 y el 1,73% la austenita se transforma en perlita y cementita.

A continuación se describen las principales características estructurales y mecánicas de los compues-

tos indicados en el diagrama hierro carbono,

Ferrita: Está constituida por cristales de hierro alfa, es el componente más blando del acero. Las características

mecánicas de la ferrita son una resistencia a la tracción de 28 MPa y un alargamiento entre el 35 y el -

40%.

Carbono:Los átomos de carbono puro pueden unirse entre sí de dos formas, según sea una unión u otra se

obtiene gráfito o diamante.

El gráfito es el carbono que contiene el acero, sus enlaces son débiles y puden separarse fácilmente. El

diamante sin embargo tiene unos enlaces muy fuertes, dando al material una gran dureza.

En definitiva tanto el gráfito como el diamante estan formados exclusivamente por carbono, pero con

diferentes enlaces, lo que los convierte en materiales distintos (por ejemplo la densidad y el punto de

fusión del gráfito son de 2,25 g/cm3 y 3500oC, mientras que del diamante son de 3,51 g/cm3 y

4830oC).

10

Cementita:Es carburo de hierro (Fe3C), contiene un 6,67% de carbono y un 93,33% de hierro, su exceso de carbono

es el empleado para la formación de las estructuras cristalinas del acero al añadir hierro o chatarra

durante el afino. Es el componente más duro del acero y consecuentemente el más frágil, tiene una

resistencia a la tracción de 215 MPa.

Se trata de un material muy frágil y duro.

Austenita:

Aparece cuando los aceros sobrepasan los 721oC de temperatura. Es una solución sólida de carbono y

hierro gamma que se obtiene por enfriamiento normal. La cantidad de carbono que contiene es variable

entre el 0 y el 1,7%.

Tiene una resistencia a la tracción de 88-105 MPa y un alargamiento entre el 20 y el 23%.

La austenita se caracteriza por tener gran resistencia al desgaste y poca dureza, es el elemento más fre-

cuente en los aceros.

Perlita: Es una mezcla de láminas de cementita y de ferrita, consecuencia de la transformación de la austenita.

El grosor de las láminas depende de la velocidad de enfriamiento, cuanto más lenta sea está mayor es el

grosor.

El valor de la resistencia a la tracción es de 55-70 MPa y el alargamiento del 20-28%.

Las propiedades mecánicas de la perlita están entre las de la ferrita y la cementita, se caracteriza por ser

más dura y resisten que la ferrita, pero más blanda y maleable que la cementita.

A continuación se describen dos ejemplos, en los que se menciona los cambios de estructura que acon-

tecen para obtener un acero con un porcentaje de carbono del 0,15% y los cambios de otro con un

1,20% de carbono.


11

Acero con un 0,15% de carbono:

Se parte de una temperatura superior a 1.500oC,

el acero se encuentra en estado líquido.

Cuando la temperatura desciende de los 1.400oC

se va sólidificando parte del hierro y carbono orgi-

nando la austenita que coexiste con el acero

líquido.

Cuando se baja de 1300oC el acero de 0,15 % de

carbono ya esta totalmente solidificado y conver-

tido en austenita y permanece así hasta bajar los

750oC.

Entre los 750 y los 738oC parte de la austenita se

transforma, por lo que el acero pasa a ser una

mezcla de austenita y ferrita.

Por debajo de los 738oC la estructura cristalina

varía siendo una solución de perlita y ferrita.

Si durante todo este proceso se varía la velocidad

de enfriamiento en algún punto se obtienen dife-

rentes componentes (bainita, martensita,etc.) 0’15% de Carbono 75007-05

1400ºC

1300ºC

750ºC

738ºC

Líquido

Austenita

Austenita

Austenita

Ferrita

Ferrita

Perlita

o C

% C

Acero con un 1,20% de carbono:

A 1.500oC también se encuentra en estadolíquido.

La coexistencia de austenita y acero líquido es

ahora entre los 1.300 y los 1.200oC.

Por debajo de los 1.000oC y hasta los 738oC la

austenita se transforma en austenita y cementita,

A temperaturas inferiores a los 738oC la estructura

cristalina cambia a un estado estable, formado

por perlita y cementita.

Al igual que en todos los aceros, si se varia la

velocidad de enfriamiento en algún punto del pro-

ceso se obtiene como resultados componentes

diferentes.

75007-06

1’20% de Carbono

1300ºC

1200ºC

1000ºC

738ºC

Líquido

Austenita

Austenita

Austenita

Cementita

Perlita

Cementita

o C

% C

12

El porcentaje de carbono da al acero su nivel de resistencia mecánica y si se añaden de forma más selec-

tiva se obtienen otros elementos de aleación como silicio, fósforo, titanio, niobio o cromo que conferirán

propiedades aún más específicas de dureza. En este caso se habla de aceros microaleados, puesto que

el efecto de dichos elementos se manifiesta incluso cuando se añaden en pequeñas cantidades en rela-

ción con otros elementos de aleación.

Las alteraciones que puede tener la matriz cristalina del sólido debido a los materiales añadidos o reti-

rados pueden ser:

- Sustitución: átomos de otros elementos sustituyen a átomos de hierro.

- Hueco: átomos de hierro son eliminados de la matriz dejando libre esa posición.

- Intersticial: átomos de otros elementos, como el titanio, ocupan posiciones entre átomos de hierro,

endureciendo todo el cristal y bloqueando las posibilidades de deslizamiento de los planos atómicos

entre ellos. Su cantidad en la aleación de acero es determinante para sus propiedades mecánicas ulte-

riores.

Ejemplo de la influencia de algunos materiales de aleación:

Material añadido: Propiedades modificadas:

SilicioAfina el grano y aumenta el valor del porcentaje

de alargamiento

NíquelAumenta la resistencia y el alargamiento, pero

da fragilidad a la estructura.

ManganesoAfina el grano, aumenta la resistencia, la dureza,

el alargamiento y la resistencia al desgaste.

2.1.3. ALEACIÓN DE HIERRO CARBONO Y OTROS COMPONENTES

Átomo del material base.

Sustitución.

Hueco.

Intersticial.

75007-07


13

2.2. TRATAMIENTOSExisten numerosos tipos de tratamientos agrupables en tres grandes familias:

2.2.1. TRATAMIENTOS MECÁNICOS.Son procesos en los que mediante la energía mecánica y térmica se producen deformaciones perma-

nentes en el metal por encima del límete de cedencia. Estos tratamientos no afectan a la estructura cris-

talina, su efecto va encaminado a modificar la elasticidad, tenacidad, plasticidad y dureza.

Los tratamientos mecánicos más comunes son dos:

- Aceros conformados en frío: apartir de la deformación producida a temperaturas inferiores a la recrista-

lización y se manifiesta esencialmente por un aumento de la dureza y resistencia a la deformación.

Mejoran la dureza y el límite elástico del acero.

- Aceros conformados en caliente: la deformación del acero se realiza a temperaturas superiores a la

temperatura de recristalización del acero. Durante ese tratamiento se produce de forma simultanea

deformaciones plásticas y la recristalización de los granos deformados, debiendo mantenerse la tempe-

ratura el tiempo suficiente para que la la recristalización se haya completado. Este tratamiento permite

conseguir la misma deformación que el trabajo en frío pero con menos esfuerzos, obteniendo aceros

más blandos y dúctiles a la vez que una estructura cristalina más uniforme.

2.2.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS. El objetivo de los tratamientos térmicos es mejorar o modificar las propiedades de los metales mediantealteraciones en su estructura, con el fin de que las propiedades adquiridas puedan desempeñar con

más exactitud el trabajo al que han sido destinadas; llevando consigo un aprovechamiento y un rendi-

miento muy superior al que en condiciones normales se podrían obtener.

En general un tratamiento térmico consiste en “Calentar y mantener” el acero hasta una cierta tempera-

tura, durante un tiempo determinado, más o menos largo, y luego enfriarlo de forma conveniente,

logrando una modificación en la estructura microscópica de los aceros, unas transformaciones físicas y

a veces cambios en la composición del metal.

Es decir, en los tratamenientos térmicos sólo interviene la energía calorífica afectando a la estructura

cristalina pero no a la composición.

Familias: Tratamientos:

Tratamientos mecánicosConformado en frío.

Conformado en caliente

Tratamientos térmicos

Temple.

Recocido.

Normalizado.

Revenido.

Tratamientos termoquímicos

Cementación.

Cianuración.

Cimentación.

14

A continuación se describen los cuatro tratamientos térmicos más significativos:

- Temple: tiene por objetivo endurecer el material, esto se logra con el rápido enfriamiento del acero

para evitar nuevas transformaciones en su estructura cristalina.

- Recocido: persigue regenerar el material, cuando por el mecanismo u otra causa ha sufrido deforma-

ciones, para ello se el acero se enfria muy lentamente.

- Normalizado: se emplea para eliminar las tensiones del acero y dejarlo en las condiciones que se con-

sideran normales para ese acero, esto se consigue mediante un enfriamiento a una velocidad interme-

dia.

- Revenido: se da después del temple, consiste en elevar la temperatura para facilitar la estabilidad de la

estructura. Hay que tener presente que el revenido destruye parcialmente al temple, siendo su efecto

tanto más acentuado cuanto mayor es la temperatura de calentamiento.

2.2.3. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS:Interviene además de la energía calorífica (calentar, mantener y enfriar) intervienen otros componentesquímicos ajenos al acero. Esto tiene como resultado una variación en la estructura y en la composición.

Los tratamientos termoquímicos más destacables son:

- Cementación: endurece la superficie de la pieza de acero, manteniendo intacto el corazón del material,

logrando una mayor tenacidad y resistencia a los golpes .

La cementación consigue este fin aumentando la porción de carbono en la superficie de la pieza. Para

ello se calienta la pieza y se la mantiene por un cierto tiempo a temperatura conveniente en contacto de

materias que pueden ceder carbono llamadas cementantes.

- Cinanuración: Crea fácil y rápidamente pequeños espesores de capa dura. Es una variante de la

cementación, con la diferencia en que el acero también absorve nitrogéno

- Nitruración: El acero alcanza grandes durezas en las superficies del acero, siendo superior a la obte-

nida en la cementación. Se realiza a bajas temperaturas por lo que las deformaciones del material son

mínimas. La nitruración se basa en que el acero absorva nitrogeno en su estructura.


15

2.2.4. RESULTADOS DE LOS TRATAMIENTOS.Mediante los tratamientos antes explicados se logran numerosas variaciones en la composición de los

aceros, adaptándolas a cada necesidad mecánica, siendo dos compuestos muy significativos la marten-

sita y la austenita.

Martensita: Es una variante de la austenita. Es el constituyente típico de los aceros enfriados rápidamente (templa-

dos). Esencialmente es una solución sólida sobresarturada de cementita en ferrita. La austenita al

enfriarse no puede expulsar el carbono por lo que resulta una estructura residual compuesta por hierro

alfa, en la que están incrustados los átomos de carbono que tenía la austenita

Las propiedades dependen de la cantidad de carbono que tiene en disolución y que puede ser hasta un

0,9%; no obstante, después de la cementita es uno de los constituyentes más duros del acero.

La resistencia a la tracción de la martensita está comprendida entre los 170-250 MPa y el alargamiento:

entre 0,5 y 2,5%

Bainita: Es un tipo de perlita, la cual aparece por la transformación a temperatura constante (isotérmica) de la

austenita entre los 250 y los 600oC. El rango de la resistencia a la tracción escila entre los 15 y los 220

MPa, mientras que el alargamiento esta entre 1,5-2%.

Bainita: 15-220 MPa

Martensita: 170-250 MPa

Perlita: 55-70 MPa

Austenita: 88-105 MPa

Ferrita: 28 MPa Cementita: 215 MPa

0 100 200 MPa

Límites elásticos Re

75007-08

16

3. ACEROS EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS DE AUTOMÓVILES.

Consecuencia del amplio número de tipos de aceros existentes se hace necesario agruparlos. Una pri-

mera tendencia es clasificarlos por los valores mecánicos; resistencia a la rotura, límite elástico o

incluso por el alargamiento.

Normalmente se habla de aceros convencionales, aceros de alta resistencia, aceros de muy alta resis-

tencia y aceros de ultra alta resistencia.

Todo y que es posible hacer una clasificación de aceros por los valores mecánicos, esta es imprecisa, ya

que no existe un valor fijo que haga de frontera entre los distintos aceros, sino que suele ser un rango

bastante amplio, dándose el caso por ejemplo que aceros de alta resistencia tienen valores idénticos o

mayores a los de aceros de muy alta resistencia.

Por esta razón lo más común y preciso es agrupar a los aceros en familias según sea el proceso seguido

en su obtención.

En las próximas páginas se hablará de los aceros más novedosos en la construcción de carrocerías, con-

cretamente de los mecanismos de endurecimiento que aumentan la resistencia a la tracción respecto a

los aceros convencionales de embutición, sin alterar sus particularidades de aceros conformables.

El endurecimiento de los aceros se puede obtener básicamente de cuatro formas.

- por solución sólida,

- por afino de grano y precipitación,

- por "Bake Hardening",

- y por endurecimiento mediante fases duras.

Tipo de aceroLímite elástico, Re (MPa)

AceroProcesos de obtención

Límite elástico, Re (MPa)

Aceros

convencionales para

estampación

< 220

Aceros de alta

resistencia>220... < 450

Bake

Hardening

Bake

Hardening.160 ... 300

Microaleado Afino de grano y

precipitación.>340

Refosforado Solución sólida >220

Aceros de muy alta

resistencia>450... <800

Dual Phase, (DP) Fases duras. 500 ... 600

Transformation

Induced

Plasticity (TRIP)

Fases duras. 600 ... 800

Aceros de ultra alta

reistencia>800

Complex-Phase

(CP)Fases duras. > 800

Martensite Steels

(MS)Fases duras. > 1000


17

Con este tipo de endurecimiento se obtienen dos tipos de aceros, los aceros libres de intersticios

(Intersticial Free) y los aceros aleados al fósforo.

Aceros libres de intersicios: tienen una matriz ferrítica, en las que el carbono y o el nitrógeno se fijan por

microaleación, se les añade fósforo y manganeso para aumentar la resistencia del material.

Aceros aleados al fósforo o refosforados: son aceros cuya matriz es ferrítica y contiene elementos de

endurecimiento de la solución sólida, tales como el fósforo cuya presencia puede ser de hasta un

0,12%.

Estos aceros se caracterizan por su compromiso entre "resistencia mecánica y estampación", es por ello

que se destinan a usos múltiples, como piezas de estructuras o refuerzos (largueros, travesaños, pila-

res, etc.), piezas que deben soportar la fatiga, o piezas que deben intervenir en las colisiones.

Empleo:Por lo general están diseñados para lograr un buen equilibrio entre estampación y resistencia mecánica.

Reparación:En cuanto a la reparación son aceros con buena aptitud a la soldadura cualquiera que sea el procedi-

miento seguido.

Intersticial

75007-09

Sustitución

3.1. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA.

18

3.2. ENDURECIMIENTO POR AFINO DE GRANO Y PRECIPITACIÓN.

Mediante reducción del tamaño de grano y precipitación del mismo se obtienen aceros microaleados,

con alto nivel de resistencia y limitando al mismo tiempo los contenidos en elementos de aleación, lo

que favorece las propiedades funcionales tales como soldabilidad o la selección del recubrimiento pro-

tector.

De forma selectiva, se añaden otros elementos de aleación como titanio, niobio o cromo que confieren

propiedades de dureza específicas.

En este caso se habla de aceros microaleados, aceros de baja aleación o también HSLA, ya que el efecto

de dichos elementos se manifiesta incluso cuando se añaden en pequeñas cantidades en relación con

otros elementos de aleación.

Empleo:Estos aceros se destinan sobre todo para piezas interiores de la estructura que requieren una elevada

resistencia a la fatiga, como por ejemplos los refuerzos de la suspensión, o refuerzos interiores. Gracias

a sus características mecánicas permiten aligerar piezas de refuerzo y de la estructura.

Reparación:Poseen una buena aptitud a la soldadura con cualquier procedimiento. Estos aceros no presentan nin-

gún ablandamiento de las zonas soldadas ni aumento del tamaño de los granos.

75007-10

MUESTRA DEL

MATERIAL AMPLIADO

ÁTOMOS


19

3.3. BAKE-HARDENINGSon aceros de alta resistencia, creados

para aumentar considerablemente el lí-

mite elástico durante un tratamientotérmico de cocción, llamado "efecto

Bake Hardening" (BH), a baja tempera-

tura, como puede ser una cocción de

pintura. Tienen la cualidad de ser ace-

ros fácilmente embutibles antes del tra-

tamiento térmico.

Una vez las chapas de acero han sido

ensambladas en la carrocería y tras

haber recibido el baño de cataforesis,

se introducen en un horno a 180ºC para

secarse, este aumento de temperatura

es suficiente para que estas chapas

varían su estructura molecular, obte-

niendo así el aumento del límite elás-

tico.

Los aceros BH consisten en una matriz ferrítica que contiene carbono en solución sólida necesario para

lograr el efecto “bake-heardening” posterior.

La mejora conseguida por el tratamiento térmico es por lo general superior a 40 MPa, es decir, un acero

con una resistencia a la ruptura (Rp0,2) de unos 220 MPa sometido a un "efecto Bake Hardening" puede

aumentar su resistencia a la ruptura hasta los 260 MPa.

Los aceros "Bake Hardening" suelen tener el rango de resistencia entre los 160 y los 300 MPa.

El Efecto "Bake Hardening", ofrece dos grandes ventajas si se compara a las propiedades mecánicas de

una estampación clásica:

- Mejora la resistencia a la deformación en todas las piezas acabadas, incluso con pequeños niveles de

deformación (capós, techos, puertas, aletas,...).

- Reduce el grosor de la chapa para unas mismas propiedades mecánicas y así disminuye el peso de la

carrocería, a la vez que ofrece una mayor resistencia a la deformación.

Empleo: Este acero se emplea en piezas que forman parte del revestimiento de la carrocería (puertas, capós, por-

tones, aletas delanteras o techo) y en piezas con responsabilidad estructural (refuerzos de pilares o de

largueros)

Reparación: Durante el reconformado se deberá realizar un mayor esfuerzo debido a su límite elástico más elevado.

Al tener poca aleación tienen buena aptitud a la soldadura, cualquiera que sea el método utilizado.

75007-11

Fue

rza

Límite elástico (Re ) después

del tratamiento térmico.

Alargamiento

Límite elástico (Re ) inicial.

Incremento obtenido por el BH

20

El endurecimiento mediante fases duras origina los aceros llamados "multifásicos", estos alcanzan la

resistencia mediante la coexistencia en la microestructura final de fases “duras” al lado de fases “blan-

das”. Es decir se parte de un acero inicial al cual se le somete a un proceso específico que lo transforma

en otro.

En esta categoría se incluyen los aceros DP (Dual-Phase) y TRIP (Transformation Induced Plasticity) así

como los CP (Complex-Phase) y los MS (Martensite Steels), estos últimos de características mecánicas

aún superiores.

Empleo:Todos estos aceros se caracterizan por su alta rígidez, la absorción de grandes energías y una alta capa-

cidad para no deformarse. Los usos más común son aquellos en los que se requiere una elevada capaci-

dad de absorber energía sin que se deforme la pieza, un ejemplo son los refuerzos del pilar B, o los

refuerzos interiores de la talonera.

Reparación:El reconformado de las chapas de estos tipos de aceros es por lo general díficil por lo que se tiende a

sustituir la pieza. Por el contrario la soldabilidad es optima independientemente del procedimiento rea-

lizado.

3.4. ENDURECIMIENTO MEDIANTE FASES DURAS

Austenita

Ferrita

Bainita

Martensita

DP CP

TRIP MS

500-600 N/mm2 600-800 N/mm2 >800 N/mm2 >1000 N/mm2

Límite elástico (Re )

75007-12


21

75007-13

Austenita

Ferrita

Martensita

TIEMPO

Ferrita

TE

MP

ER

ATU

RA

Recocido

PROCESO DE OBTENCIÓN DE UN ACERO DP

Los aceros DP (dual-phase) presentan una alta resistencia mecánica y una buena deformabilidad, su

límite elástico oscila entre los 500 y 600 MPa.

El endurecimiento se logra mediante un recocido, seguido de un rápido enfriamiento, de esta forma se

transformará únicamente la austenita en martensita, obteniéndose de este modo una estructura mezcla

de ferrita con martensita en un 15 a 25%. Al mantener bajo el porcentaje de martensita se obtiene una

mejor relación entre resistencia y deformabilidad.

La composición aproximada del acero "dual-phase" es: 0,12% carbono, 0,5% silicio, 1,46% manga-

neso.

3.4.1. Aceros "DP" (DUAL-PHASE)

22

3.4.2. Aceros "TRIP" (TRANSFORMATION INDUCED PLASTICITY)

Los aceros TRIP (Transformation Induced Plasticity) contienen en su estructura hasta un 20% de auste-

nita retenida. Son aceros de baja aleación. El tratamiento térmico al que se someten los aceros TRIP es

muy importante para obtener la estructura final, compuesta de ferrita, bainita y austenita retenida.

Para obtener los aceros TRIP el proceso a seguir es el siguiente:

Primero se calienta el material, llevando al acero a una zona en la que convive la austenita y la ferrita,

entre 700 y 800oC , generando un recocido del acero lo que provoca la formación de granos muy finos de

austenita en los límites de grano de la ferrita.

En el segundo paso del recocido, entre 300 y 340oC, se transforma una fracción de la austenita en bai-

nita. Al disminuir rápidamente la temperatura la otra fracción de austenita no se transforma, dando

lugar a la austenita retenida.

Después de esta transformación se enfria el acero en agua o en aceite.

El límite elástico de estos aceros oscila entre los 600 y 800 MPa.

Las composiciones típicas de los aceros TRIP son: 0,15-0,4% de carbono, 1-2% de silicio y 0,5-2% man-

ganeso.

75007-14

Austenita

Austenita

Ferrita

Bainita

TIEMPO

Ferrita

TE

MP

ER

ATU

RA

Recocido,

a 700-800ºC,

durante 3 min.

Transformación, a

300-340ºC,

durante 10-600 min.

PROCESO DE OBTENCIÓN DE UN ACERO TRIP


23

3.4.3. Aceros "CP" (COMPLEX-PHASE)Los aceros CP (Complex-Phase) marcan la transición a los aceros de ultra alta resistencia con resisten-

cias superiores a los 800 MPa,

Estos aceros se caracterizan por un bajo porcentaje de carbono, inferior al 0,2%. Su estructura esta

basada en la ferrita, en la cual también hay austenita y bainita.

Los aceros CP incorporan, además, elementos de aleación ya “convencionales” (manganeso, silicio,

cromo, molibdeno, boro) y microaleantes para afino de grano (niobio y titanio), que les confieren una

estructura de grano muy fino.

Los aceros CP se caracterizan por una elevada absorción de energía acompañada de una alta resistencia

a la deformación. Un ejemplo de aplicación del acero CP en la carrocería del automóvil son los refuerzos

del pilar B.

3.4.4. Aceros "MS" (MARTENSITE STEELS)Los aceros MS (Martensite Steels) se caracterizan por tener una microestructura compuesta básicamente

de martensita, obtenida al transformarse la austenita en el tratamiento de recocido.

Estos aceros alcanzan límites elásticos de hasta 1400 MPa, dichos valores implican un conformado en

caliente.

24

4. RECUBRIMIENTOS SUPERFICIALES.

El objetivo de los diferentes recubrimientos superficiales es proteger al acero de la carrocería de una

posible oxidación (corrosión) consecuencia de los efectos atmosféricos.

Para ello se emplean diferentes tipos de recubrimientos, siendo los más comunes los basados en el

cinc. El cinc es un material que tiene una mayor tendencia a oxidarse que el acero, así se logra que el

acero no se oxide hasta que no se haya consumido todo el material protector que es el cinc. Por ello, la

oxidación progresa a una velocidad mucho más lenta que en el caso del acero no tratado.

Si se combinan los recubrimientos de cinc con la aplicación de pinturas se logra un efecto protector

óptimo, denominado "sistema dúplex".

Los recubrimientos superficiales más comunes en la protección de la carrocería son: Galvanizado al

fuego, "Galvannealed", electrocincado y "Bonazinc".

A nivel de reparación en el Servicio, el tipo de recubrimiento dado en fábrica no implica un procedi-

miento distinto, en los tres casos se siguen las mismas pautas de reparación, tal y como indica el

Manual de Reparaciones.

4.1. GALVANIZADO AL FUEGO.

450ºC�

75007-15

PROCESO DE GALVANIZADO AL FUEGO

Se realiza antes de embutir el acero, al cual se le hace pasar por un baño de cinc líquido a unos 450ºC,

formándose así una capa de cinc, es uno de los procesos más efectivos para proteger el acero de la

corrosión.

El galvanizado al fuego se suele emplear en las piezas no visibles debido a que deja una superficie

áspera y con marcas en la chapa, por lo que requería un tratamiento posterior si quisiera emplearse en

zonas visibles.

La clasificación del galvanizado al fuego depende de la forma en la que el cinc se solidifica sobre el

acero base. Tengase encuenta que la capa de cinc puede ser: por dos caras, por una cara, o una aleación

de hierro cinc. A la vez que se pueden obtener dos acabados en la superficie cincada: con flores de cinc

o flores de cinc de pequeño tamaño.


25

Consiste en una variante del galvanizado al fuego, la diferencia esta en que después del baño se somete

al acero a un tratamiento térmico (recocido) a 430oC durante 30 segundos. El resultado es una aleación

de hierro y cinc más resistente a la corrosión, debido a que la banda de acero ha sufrido un tratamiento

térmico que ha provocado una difusión del hierro existente en el substrato con el cinc del revestimiento.

Así se forma una aleación cinc-hierro que contiene en torno al 10% de hierro y que constituye el revesti-

miento Galvannealed.

Esta operación de aleación tiene, entre otras cosas, como objetivo:

- optimizar la aptitud a la soldadura del revestimiento,

- aportar un buen acabado superficial al no tener irregularidades,

- y ofrecer un buen sustento para las capas posteriores.

4.3. ELECTROCINCADO.Se realiza antes de embutir el acero, ya sea por una o ambas caras, no afectando a las propiedades

mecánicas del mismo. Consiste en un proceso electroquímico; por medio de corriente eléctrica se

disuelve el cinc y al sumergir la chapa lo deposita firmemente.

La lámina de acero se conecta al cátodo (polo positivo) y se introduce en el baño que contiene iones de

cinc (polo negativo). Así se forma una capa de cinc muy fina y uniforme de aproximadamente 8 micras,

dicha capa, permite que los tratamientos posteriores, como son el prensado, soldeo y pintado puedan

realizarse sin perder protección anticorrosiva.

Esta técnica se aplica en las piezas de la carrocería que serán visibles gracias al buen acabado que apor-

tan.

El aspecto final del acabado del electrocincado depende del espesor del recubrimiento, y la calidad de

la superficie del acero.

450ºC�

75007-16

PROCESO DE GALVANNEALED

Tratamiento térmico

4.2. "GALVANNEALED".

26

4.4. BONAZINC.Consiste en un revestimiento orgánico fino, conocido también como ROM, que contiene partículas de

cinc, el cual se puede aplicar por una o dos caras

Los aceros con este recubrimiento consiguen un excelente compromiso entre la resistencia a la corro-

sión del acero y la aptitud a la soldadura.

El Bonazinc se emplea tanto en piezas ocultas como en piezas visibles, especialmente en aquellas que

generan cuerpos huecos una vez ensambladas, protegiendo estas zonas sin la necesidad de emplear

ceras o molduras.

A nivel de soldadura el recubrimiento de Bonazinc permite la utilización de cualquier tipo de soldadura

o adhesivo estructural, y a nivel pintura ofrece una excelente adherencia.

+ +--

PROCESO ELECTROCINCADO

75007-17

Aceros Automocion.pdf

Documents

Transcript of Aceros Automocion.pdf