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POR QU SURGEN NUEVOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA?

El desarrollo de los automviles ha impulsado la investigacin y aplicacin de diversos tipos de acero, tales como los de alta resistencia libres de intersticiales (IF, por sus iniciales en ingls), los de endurecimiento por calentamiento y los de alta resistencia y baja aleacin (HSLA, por sus iniciales en ingls).

Es sabido que en general cuando se incrementa la resistencia mecnica de los metales, se pierde la capacidad de darles formas complejas. Los aceros de alta resistencia tradicionales, con resistencia a la traccin de ms de 500 MPa, tienden a tener una pobre capacidad de deformacin en fro. Esto incluye a los aceros HSLA, los refosforados y los IF de alta resistencia [1].

Para superar esta situacin, que limita el desarrollo de partes de formas complejas, que reemplacen a conjuntos soldados simplificando el proceso de fabricacin y alivianado los automviles, se han desarrollado los llamados aceros avanzados de alta resistencia (AHSS, por sus iniciales en ingls). Ocupan el primer lugar, por su amplia aplicacin, incluso fuera del campo automotriz, los aceros bifsicos (dual phase o DP), de estructura ferrtico martenstica, a los que hemos dedicado un artculo previo [2]. Tambin se han desarrollado los aceros con plasticidad inducida por la transformacin (TRIP) o plasticidad inducida por maclado (TWIP) y los aceros de temple y particionado (Q&P). Todas las siglas corresponden a su denominacin en ingls.

DEL LABORATORIO A LA PLANTA

Aceros planos avanzados de alta resistencia

Los nuevos aceros TRIP, TWIP, Q&P y otros estn planteando desafos concretos en diversos campos, como el comportamiento peritctico [1] de algunos de estos aceros, la interaccin 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 fro y del galvanizado electroltico o por inmersin en caliente, para obtener la microestructura necesaria.

Por Jorge Madas, Gerente de empresa Metallon, Argentina

[1] Aceros peritcticos: se trata de aceros que pasan por una transformacin particular durante su solidificacin, que est acompaada de un importante cambio de volumen a alta temperatura, cuando la piel de solidificacin es dbil y, por lo tanto, son propensos a la formacin de grietas.

37D O S S I E R T E C N O L G I C O

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

Resistencia a la traccinx alargamiento =

20.000 30.000 50.000

0

10

200 400 600 800 1.000

IF

IS

BH

HSSIFMile

1.200

Resistencia a la traccin (MPa)

Alargam

iento (%

)

1.400 1.600

AHSS 2da Generacin

AHSS 3ra Generacin

AHSS 1ra Generacin

1.800 2.000

20

30

40

50

60

70

TWIP

MART

TRIP

DP.CP

PH

Q&PHSLA

CMn

Para enfatizar los diferentes comportamientos a la deformacin de estos aceros, es conveniente situarlos en diagramas con el alargamiento en el eje Y y la resistencia a la traccin en el eje X (FIGURA 1).

Los aceros con efecto TRIP ya son producidos por varios de los principales grupos siderrgicos 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 concepcin ms reciente y composicin qumica ms compleja, con alto manganeso y alto silicio, estn todava en proceso de desarrollo, aunque Posco ya los est produciendo industrialmente [5]. Estos aceros tienen caractersticas

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

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).

QU ES EL EFECTO TRIP?

La formacin 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 formacin de martensita (Ms), que es funcin de la composicin qumica (sobre todo, del contenido de carbono). Cuando ms alto es el contenido de carbono en la austenita, ms baja es la temperatura a la que la transformacin se inicia. Para realizar el temple, se requiere llevar el acero a una temperatura en que est totalmente en estado

austentico. En ese estado tiene una estructura cristalina cbica centrada en las caras, que admite un alto contenido de carbono en solucin, en los intersticios que hay entre los tomos de hierro. Al enfriar bruscamente, hay un cambio en la estructura cristalina, que pasa a ser tetragonal. El cambio de estructura es rpido y no da tiempo a que los tomos de carbono se muden a nuevas posiciones dentro de la nueva estructura. Esto lleva a que se genere una estructura cristalina distorsionada, dura y frgil, denominada martensita.

Pero adems del temple, hay otras formas de producir la transformacin a martensita. Puede suceder cuando el material est bajo tensin o bajo deformacin. Los rangos de

38

temperatura tpicos para los diferentes tipos de transformacin martenstica se presentan en la FIGURA 3.

Al suceder la transformacin martenstica por deformacin, por ejemplo sobre una chapa de este tipo de acero sometida a traccin, impide que se produzca la estriccin, por lo que la chapa puede continuar alargndose uniformemente sin cortarse (ver esquema en FIGURA 4). Este es el efecto TRIP.

PARA QU PARTES SE USAN LOS NUEVOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA?

El diseo de carroceras basado en la seguridad frente a accidentes requiere de los aceros de alta resistencia para soportar la carga dinmica que tiene lugar en colisiones. Algunas aplicaciones tpicas para la que estn 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 bifsico soldados y ahora pas a hacerse en una sola pieza, con acero TWIP, alivianando el vehculo y simplificando el proceso de produccin de la autoparte [5].

FIGURA 3. REGMENES DE TEMPERATURA CARACTERSTICOS

PARA LA TRANSFORMACIN MARTENSTICA INDUCIDA POR TENSIN Y POR DEFORMACIN

Martensitatrmica

Martensita inducidapor tensin

Martensita inducidapor deformacin

No hay martensitaDeslizamiento dedislocaciones

Md30 50% adeformacin verdadera

del 30%

TemperaturaMs MaMb

FIGURA 4. ESQUEMA DEL EFECTO TRIP DURANTE LA DEFORMACIN

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

Austenita retenidaVret

Martensita

39

QU COMPOSICIN QUMICA 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 precipitacin de carburo de hierro (Fe3C). Al no formarse Fe3C, la austenita retenida se enriquece en carbono durante su transformacin isotrmica a bainita. En el rango del 0,5% al 1,5%, la adicin 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 tambin un efecto favorable importante: promover la formacin de algo de ferrita equiaxiada a alta temperatura [1].

El manganeso se adiciona para suprimir la descomposicin de la austenita a alta temperatura. Tambin

FIGURA 5. PARTES EN ACEROS TRIP

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 vehculos tienen una seccin en B para incrementar su resistencia.

A B

inhibe la formacin 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 aleacin principales.

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

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

Elemento

C 0,1%-0,2%

Mn

Si, Al, P

Cr, Mo

Influencia

Determina la distribucin 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 fraccin de austenita retenida en la microestructura. Est limitado por consideraciones de soldabilidad.

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

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

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

D O S S I E R T E C N O L G I C O

40

Las particularidades de la composicin qumica generan desafos que deben ser superados en la acera para poder producirlos sin inconvenientes, en la colada continua, laminacin en caliente, laminacin en fro y galvanizado. Esto se analiza a continuacin.

DESAFOS PARA LA ELABORACIN Y AFINO DE LOS ACEROS AVANZADOS

Con respecto a los aceros TRIP, no se han presentado trabajos especficos sobre la aceracin y la metalurgia secundaria. En cambio los aceros TWIP, por su alto contenido de manganeso, presentan desafos especficos en estas etapas. Deben agregarse grandes cantidades de ferromanganeso, con el consiguiente consumo de energa para fundirlo y el aporte de fsforo por parte de la ferroaleacin, que es significativo. Por ello se est estudiando la carga de ferromanganeso en estado lquido y analizando la forma de acortar el tiempo de afino que el alto contenido de fsforo del bao requiere [11].

Esto requiere el diseo de escorias de baja viscosidad, para facilitar su interaccin con el acero y alta capacidad de fosfato. Muchas de las propiedades termoqumicas para sistemas con alto MnO son desconocidas. Esto ha llevado a que las empresas interesadas en desarrollarlos, junto con las instituciones de investigacin que las respaldan, estn estudiando el tema. A ttulo de ejemplo, la Universidad de Corea y la Universidad de Ulsan estn utilizando dos tcnicas para la determinacin de varios parmetros termoqumicos de la escoria: levitacin electrosttica (ESL, por sus iniciales en ingls) y gota inmovilizada (sessile drop) (CUADRO 2).

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

Parmetro

Tensin superficial

Densidad

Viscosidad

Temperaturas de cambio de fase

Emisividad total

Mtodo de la gota inmovilizada

S

S

Levitacin electrosttica

S

S

S

S

Elaboracin propia sobre informacin 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 peritctico para tenores de carbono en lo que esto no se esperara, y la interaccin entre el polvo colador y el acero. Un tercer aspecto es la aplicacin de una tecnologa de colada continua de flejes para fabricar estos aceros.

Comportamiento peritctico inesperado

Al colarse aceros TRIP con ms del 0,20% de carbono y ms del 1,5% de aluminio, se verific en una planta de ArcelorMittal una solidificacin irregular, tpica de un acero peritctico, algo que el clculo usual de carbono equivalente no permita prever [12]. Esto llev al desarrollo de nuevas formas de calcular la influencia de elementos como aluminio, manganeso y silicio, as como otros elementos, sobre los puntos del diagrama hierro-carbono que son relevantes para la transformacin peritctica (FIGURA 6). Estos puntos son el correspondiente a la mxima solubilidad del carbono en la ferrita (C), el correspondiente a la transformacin peritctica (C) y el correspondiente a la interseccin

entre la lnea de lquidos y la temperatura de la reaccin peritctica (Cliq). Algo similar sucedi tambin en ThyssenKrupp Steel [13]. Mientras en ArcelorMittal, se emple el programa de termodinmica computacional ThermoCalc, en ThyssenKrupp Steel se utiliz el FactSage.

En la FIGURA 7 se presenta la influencia de diversos elementos sobre el punto C. Se destaca la fuerte influencia del aluminio, desplazando hacia arriba el valor de C, en tanto que el silicio y el manganeso actan en la direccin opuesta, pero mucho ms dbilmente. El C es el ms importante desde el punto de vista de los efectos negativos de la transformacin peritctica, ya que en su entorno se encuentran siempre los problemas de solidificacin irregular, grietas longitudinales, etctera.

Problemas con el polvo colador

Las particularidades de la composicin qumica de algunos de los aceros avanzados de alta resistencia, se han manifestado en el molde de la colada continua de otra forma, adems de la solidificacin inicial irregular ya mencionada: la interaccin 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).

41

El aluminio disuelto en el acero reacciona con la slice del polvo, formando silicio metlico que revierte al acero y almina, 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 adicin

FIGURA 6. DIAGRAMA DE FASES Fe-C EN LA REGIN DE LA TRANSFORMACIN PERITCTICA, MOSTRANDO LOS TRES PUNTOS A CALCULAR [13]

FIGURA 7. EFECTO DE DIVERSOS ELEMENTOS SOBRE EL PUNTO C DEL DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

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

0 0,1 0,16Carbono (%)

Austenita

Austenita + lquido

Ferrita + lquido

Ferrita + Austenita

Ferrita

Lquido

Cliq

C

C

Tempe

ratura (C

)

1.420

1.540

0,52 0,6

Elemento de aleacin (%)*

Carbo

no (%)

0,060 0,2 0,4 0,6 0,8

S

P

AI

V

Mo

MnNi

NbTi

N

Si

SnCu

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

0,07

0,08

0,09

0,1

0,11

0,12

*

D O S S I E R T E C N O L G I C O

42

de polvo colador prefundido y la utilizacin de una cmara infrarroja que monitorea las condiciones vigentes en el menisco de la colada continua. Esto se ha descrito con ms detalle en otro artculo publicado en Acero Latinoamericano [16]. En la FIGURA 9 se presenta el aspecto de la superficie de los planchones de acero TWIP antes y despus de la adopcin de esta tcnica, denominada comercialmente Pocast.

Tambin Posco estudi la adicin de xido de litio al polvo colador, para compensar el incremento de viscosidad producido por la almina [15].

Colada continua de flejes para aceros avanzados. Por qu?

Una de las tecnologas aplicadas para la colada continua de flejes es la del belt caster, donde el acero se solidifica sobre un transportador horizontal. La siderrgica alemana Salzgitter instal una mquina de este tipo, diseada y construida por SMS Siemag, con el propsito de desarrollarla para la produccin de los aceros avanzados de alta resistencia, que esta empresa denomina aceros de alta resistencia y ductilidad, HSD por sus iniciales en ingls [17]. En la FIGURA 10 se presenta un esquema de esta instalacin, preparada para producir 25.000 t/ao [17]. La lnea de produccin se alimenta con una cuchara de 80 t y tiene una longitud total de 60 m, de los cuales 11

FIGURA 8. EVOLUCIN DEL CONTENIDO DE ALMINA EN LA

ESCORIA DE MOLDE DURANTE UNA COLADA DE ACERO TWIP DEL 1,5% DE ALUMINIO, CON ADICIN CONVENCIONAL DE

POLVO COLADOR Y ADICIN DE POLVO COLADOR PREFUNDIDO

(POCAST) [5]

FIGURA 9. ASPECTO SUPERFICIAL DE PLANCHONES DE ACERO TWIP CON EL 1,5% DE ALUMINIO PRODUCIDOS EN POSCO KWANGYANG, ANTES Y DESPUS DE LA ADOPCIN DE LA TECNOLOGA POCAST [5]

corresponden a la mquina 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 utilizacin de estas mquinas para los aceros avanzados de alta resistencia (particularmente los aceros TWIP), ms all de las ventajas tpicas 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 tpico de las mquinas de colada continua convencionales o de planchones delgados los afectara.

Que la alta resistencia significa que endurecen por trabajo en forma muy rpida, lo que hara muy costoso y dificultoso el proceso de deformacin en laminadores convencionales.

00 20 40

Longitud colada (m)

Con

tenido

de Al 2O

3 en

la escoria de molde

(%)

60 80

5

10

15

20

25

30

A B

43

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

ACEROS CON EFECTO TRIP LAMINADOS EN CALIENTE

La microestructura necesaria se obtiene despus de un enfriamiento en dos etapas, en la mesa de enfriamiento y el bobinado. Luego de la laminacin en caliente, se hace la transformacin de austenita a ferrita a una primera temperatura intermedia y luego se hace la transformacin isotrmica baintica a una temperatura inferior a 500C; esta ltima sucede a la temperatura de bobinado. Durante esta transformacin, 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 formacin de martensita Ms por debajo de la temperatura ambiente. En la FIGURA 11 se presenta esquemticamente este proceso.

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 seccin de enfriamiento prolongada.

ACEROS CON EFECTO TRIP LAMINADOS EN FRO: TRATAMIENTO TRMICO

Una vez que la chapa ha sido laminada en fro, la microestructura deseada se obtiene mediante un tratamiento trmico en dos etapas, que consiste en un recocido

60 m

Repartidor

Rastrillo de argnAgitador transversal

Rodillos de arrastre

Pileta de enfriamiento

Inertizacin

Colada continua

Cuchara en gra

Zona de igualacin

Virador

Cizalla

Mesa de rodillos

Pilas

Transportepor tren

Agitador longitudinal (freno electromagntico)

FIGURA 10. MQUINA DE COLADA CONTINUA DE FLEJES HORIZONTAL PARA PRODUCCIN DE ACEROS AVANZADOS [18]

FIGURA 11. PROCESAMIENTO DE ACERO CON EFECTO TRIP EN EL LAMINADOR DE CHAPA EN CALIENTE [1]

Ms: temperatura de inicio de formacin de martensita; TF: transformacin ferrtica; TI: transformacin isotrmica a bainita; : austenita; ret: austenita retenida; : ferrita.

D O S S I E R T E C N O L G I C O

: 0,15-0,2% C

+ (0,4% C)

Ms (1,2% C)

Ms (0,2% C)

20C

Tiempo

Tempe

ratura

+ret (1,2% C) + bainita

Ferrita proeutectoide

Perlita

TF: 800C-900C

TI: 350C-450C

intercrtico[2] y una transformacin isotrmica a bainita. Generalmente en este tratamiento se evitan las temperaturas mayores a 500C, para

suprimir la indeseable formacin de perlita degenerada en la microestructura.

[2] Recocido intercrtico: tratamiento trmico 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).

44

El principio del procesamiento de la chapa laminada en fro de acero con efecto TRIP se presenta en la FIGURA 12. En la regin intercrtica, la temperatura que se alcance determinar la fraccin en volumen de ferrita equiaxiada. Durante la transformacin baintica isotrmica a menos de 500C, se forma ferrita baintica y austenita enriquecida en carbono. Esta transformacin determina la fraccin en volumen y el contenido de carbono de la austenita retenida. En la microestructura preferida, el rango de temperatura de inicio de formacin de martensita y fin de formacin de martensita (Ms-Mf) debera estar totalmente por debajo de la temperatura ambiente.

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

ACEROS CON EFECTO TRIP GALVANIZADOS: DOS DESAFOS

Como se analizara en un artculo previo de Acero Latinoamericano, existen dos desafos que estos aceros proponen para poder ser sometidos a este proceso [19]:

Los elementos de aleacin que son necesarios para lograr el efecto TRIP pueden segregar a la superficie y formar xidos que dificultan la aplicacin del galvanizado.

Es necesario compatibilizar la temperatura del bao de galvanizado con la del tratamiento trmico a realizar para obtener las propiedades requeridas, que es menor.

Aplicacin del galvanizado

Antes del galvanizado por inmersin en caliente, los aceros TRIP deben ser sometidos a un recocido intercrtico de cristalizacin. Este se realiza en una atmsfera de nitrgeno con el 10% de hidrgeno, que reduce los xidos de hierro presentes en la superficie de la chapa luego de la laminacin en

FIGURA 12. ESQUEMA DEL RECOCIDO INTERCRTICO CONTINUO DE CHAPA LAMINADA EN FRO DE ACERO CON EFECTO TRIP [1]

Ms: temperatura de inicio de formacin de martensita; Bs: temperatura de inicio de formacin de bainita; : austenita; ret: austenita retenida; : ferrita; Ctot: carbono total.

00 0,2 0,4 0,6 0,8

Carbono (%)

1,0

Ae3

Ms

Ctot CT0Cmt

T0

50 vol-% mt

B + ret

1,2 1,4

100

200

300

400

500

Tempe

ratura (C) 600

700

800

900

1.000

00 10

Tiempo (s)

Bs

Ms

v ferrita

v bainita Transformacinincompleta

100

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1.000

fro. Pero bajo estas condiciones, los elementos de aleacin requeridos para los aceros TRIP, como el Si y el Mn, que tienen una fuerte afinidad con el oxgeno, segregan a la superficie y se oxidan en capas muy delgadas. Estos xidos dificultan la adhesin de la capa de galvanizado (FIGURA 13A). La adhesin mejorara si se lograra que la capa de xido fuera fragmentada (FIGURA 13B) o que los xidos se formaran internamente (FIGURA 13C).

El punto de roco de la atmsfera utilizada durante el tratamiento trmico influencia la formacin de xidos. Cuando es ms alto, o sea que la humedad relativa es menor, hay menos xidos en la superficie. Esto se debera a que la presin parcial de oxgeno es ms alta y hay ms difusin de oxgeno en el acero. Los elementos de aleacin se oxidan antes

que tengan tiempo de segregar a la superficie, generando xidos internos (FIGURA 13C). De esta forma en la superficie hay menos xidos y el cinc fundido se adhiere con ms facilidad [21]. Este criterio se est aplicando industrialmente; por ejemplo, ThyssenKrupp Steel est fabricando diversos aceros galvanizados de alta resistencia con estas caractersticas [22]. Voestalpine Stahl Linz produce unas 300.000 t/ao 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 tambin causa el efecto TRIP, pero no segrega a la superficie y no da lugar a la formacin de xidos superficiales [24]. Adems, la adicin de aluminio permite acelerar la transformacin baintica isotrmica [1].

45

Estos aceros tienen una estructura austentica que durante el conformado sufre un cambio de la orientacin cristalina al que se denomina maclado (twinning). La consecuencia es que se obtiene un acero con muy alta capacidad de deformacin y muy alta resistencia. Las investigaciones iniciales sobre estos aceros no despertaron inters industrial. Durante los intentos de produccin a escala industrial se produjeron muchas dificultades. Adems, exista la percepcin que estos aceros eran proclives a dos fenmenos perjudiciales: la fractura demorada y el envejecimiento por deformacin dinmico. Pero recientemente se despert un renovado inters en su desarrollo, por dos razones [27]:

El descubrimiento de los efectos beneficiosos de la adicin de aluminio para suprimir el fenmeno de la fractura demorada.

La fuerte demanda de la industria automotriz por aceros de alta formabilidad y ultra alta resistencia, para desarrollar automviles ms livianos y seguros.

Como ejemplo de la capacidad de deformacin, 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 austentica a temperatura ambiente, requieren de altos contenidos de manganeso. Hacia 2008 se haban 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

PARTICULARIDADES DE LOS ACEROS TWIP

excelentes propiedades mecnicas obtenidas con tenores de manganeso ms bajos, son los motores principales de la investigacin. El esfuerzo mundial de desarrollo sugiere que la produccin industrial se enfocar muy probablemente en aceros con el 15% de manganeso.

Seguramente estos aceros no se limiten a la industria automotriz (autos, camionetas, utilitarios, camiones, mnibus), sino que se apliquen tambin en ferrocarriles, construccin de barcos, tuberas y en aplicaciones especiales que requieren paneles no magnticos [27].

Quedan todava muchos desafos para la investigacin bsica y para la produccin y aplicacin masiva de estos aceros. Algunos de ellos son compartidos con los aceros TRIP y se detallan en el cuerpo principal del artculo.

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

Acero librede intersticiales

Acero TWIP

Direccin de laminacin

Direccin de laminacin

FIGURA 13. ESQUEMA DE LA LOCALIZACIN DE LOS XIDOS DE SI Y MN FORMADOS DURANTE EL RECOCIDO INTERCRTICO [20]

D O S S I E R T E C N O L G I C O

A: capa continua que dificulta el galvanizado; B: fragmentacin de los xidos; y C: formacin de los xidos bajo la superficie.

Cinc

xidos

Acero

Pelcula continua

Cinc

xidos

Acero

Fragmentos

Cinc

xidos

Acero

Internos

A B C

46

Tambin se han propuesto otros caminos ms costosos para evitar las dificultades originadas por la oxidacin superficial: una precobertura electroltica con nquel o la adicin de cobre y nquel como elementos de aleacin en el acero [21]. Esto ltimo se ha concretado para aceros con alto contenido de Si y Mn, y da como resultado una combinacin de lo que se observa en las FIGURAS 11B y 11C: xidos fragmentados e internos, en lugar de una pelcula continua.

Compatibilidad del tratamiento trmico con el bao de galvanizado

El tratamiento en dos etapas requerido para producir en la microestructura deseada en los aceros TRIP, consiste en el ya mencionado recocido intercrtico, seguido de un tratamiento isotrmico por encima de la temperatura de comienzo de formacin de la martensita (Ms), a unos 400C, para la precipitacin de bainita.

Para el galvanizado, la temperatura de este tratamiento debe ser elevada a unos 465C, para ser compatible con el bao de cinc

fundido. Esto implica una cintica de transformacin acelerada, con ms posibilidades de precipitacin de carburos.

La precipitacin 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 transformacin perjudicial rpida de la austenita retenida a martensita durante la deformacin.

Se pueden usar temperaturas de tratamiento isotrmico ms altas, compatibles con las temperaturas de bao de cinc, siempre que se utilicen en altas velocidades de enfriamiento luego del recocido intercrtico y tiempos ms cortos de tratamiento isotrmico para la transformacin a bainita. Para lograr este enfriamiento rpido se ha requerido identificar y modelar los parmetros de diseo que controlan la transferencia de calor por conveccin entre el gas y la chapa y la vibracin de la chapa, llevando cabo estudios trmicos y de vibraciones, incluyendo simulaciones fsicas y numricas en ensayos a escala piloto [26].

CONCLUSIONES

El desarrollo de nuevos aceros contina da a da y ao tras ao. Los aceros avanzados de alta resistencia con sus extraordinarias combinaciones de alargamiento y resistencia mecnica estn llamados a ocupar un lugar creciente en la industria automotriz y seguramente el concepto se va a extender a los productos largos y la aplicacin se expandir a otras industrias. Estos aceros contribuyen decisivamente a alivianar los vehculos, disminuir el consumo de combustible y las emisiones, adems de hacerlos ms seguros en caso de accidentes. Para su produccin masiva se requiere superar los problemas que se presentan durante las diversas etapas de su fabricacin y aplicacin. El esfuerzo que est realizando la industria siderrgica y las instituciones de investigacin que la rodean, asegura que este objetivo ser logrado.

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