Service Training
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Programa autodidáctico 421
Programa autodidáctico 421
Fundamentos de carrocería
Fundamentos de carrocería
S421_002 S421_002
Una carrocería moderna debe mantenerse en b
Una carrocería moderna debe mantenerse en buenasuenas condiciones durante toda la "vida útil
condiciones durante toda la "vida útil del automóvil",del automóvil", para que no genere costes innecesarios. De esta para que no genere costes innecesarios. De esta forma también se evita que un
forma también se evita que un modelo sufra unmodelo sufra un rápido decaimiento moral y logra que la marca rápido decaimiento moral y logra que la marca cuente con un a
cuente con un alto grado de reputación.lto grado de reputación.
TTambién es ambién es importante que pimportante que puedan repararse losuedan repararse los daños en una carrocería si ocu
daños en una carrocería si ocurre algún accidente yrre algún accidente y que se conserven con ello l
que se conserven con ello las propiedades y elas propiedades y el aspecto de este valioso grupo componente d aspecto de este valioso grupo componente delel vehículo.
vehículo.
Este Programa autodidáctico se propone explicar de Este Programa autodidáctico se propone explicar de forma concisa los nexos fundamentales desde forma concisa los nexos fundamentales desde lala teoría de los materiales, la producción del acero, los teoría de los materiales, la producción del acero, los métodos de tratamiento hasta el pintado. Esto deberá métodos de tratamiento hasta el pintado. Esto deberá constituir la base para comprender mejor los t
constituir la base para comprender mejor los temasemas posteriores acerca de los trabajos de reparación en posteriores acerca de los trabajos de reparación en una carrocería.
una carrocería.
El Programa autodidáctico presenta el
El Programa autodidáctico presenta el ParPara las a las instrucciones de instrucciones de actualidad sobreactualidad sobre
¿Cuál es nuestra primera asociación cuando ¿Cuál es nuestra primera asociación cuando pensamos en un
pensamos en un vehículo de motor? El primer planovehículo de motor? El primer plano casi siempre lo ocupa l
casi siempre lo ocupa la tracción, el a tracción, el motormotor, la, la potencia, la imagen.
potencia, la imagen.
¿Pero qué sería de un automóvil sin la
¿Pero qué sería de un automóvil sin la carrcarrocería?ocería? Es el grupo componente principal de un vehículo, q Es el grupo componente principal de un vehículo, queue comunica a todos los demás comp
comunica a todos los demás componentes y "deonentes y "de paso" también brinda alojamiento a los ocupantes. paso" también brinda alojamiento a los ocupantes. Satisface unos
Satisface unos altoaltos niveles de exigenciass niveles de exigencias
tecnológicas y cumple asimismo los deseos de con tecnológicas y cumple asimismo los deseos de confortfort de los p
de los pasajerasajeros.os. Aparte de
Aparte de ello, la carrocería es la que le da aello, la carrocería es la que le da all vehículo su fisonomía específica y
vehículo su fisonomía específica y con ello también secon ello también se la da a la marca del automóvil.
S421_002 S421_002
Una carrocería moderna debe mantenerse en b
Una carrocería moderna debe mantenerse en buenasuenas condiciones durante toda la "vida útil
condiciones durante toda la "vida útil del automóvil",del automóvil", para que no genere costes innecesarios. De esta para que no genere costes innecesarios. De esta forma también se evita que un
forma también se evita que un modelo sufra unmodelo sufra un rápido decaimiento moral y logra que la marca rápido decaimiento moral y logra que la marca cuente con un a
cuente con un alto grado de reputación.lto grado de reputación.
TTambién es ambién es importante que pimportante que puedan repararse losuedan repararse los daños en una carrocería si ocu
daños en una carrocería si ocurre algún accidente yrre algún accidente y que se conserven con ello l
que se conserven con ello las propiedades y elas propiedades y el aspecto de este valioso grupo componente d aspecto de este valioso grupo componente delel vehículo.
vehículo.
Este Programa autodidáctico se propone explicar de Este Programa autodidáctico se propone explicar de forma concisa los nexos fundamentales desde forma concisa los nexos fundamentales desde lala teoría de los materiales, la producción del acero, los teoría de los materiales, la producción del acero, los métodos de tratamiento hasta el pintado. Esto deberá métodos de tratamiento hasta el pintado. Esto deberá constituir la base para comprender mejor los t
constituir la base para comprender mejor los temasemas posteriores acerca de los trabajos de reparación en posteriores acerca de los trabajos de reparación en una carrocería.
una carrocería.
El Programa autodidáctico presenta el El Programa autodidáctico presenta el diseño y funcionamiento de nuevos diseño y funcionamiento de nuevos desarrollos.
desarrollos.
Par
Para las a las instrucciones de instrucciones de actualidad sobreactualidad sobre comproba
comprobación, ción, ajuste y reparación consulte porajuste y reparación consulte por favor la documentación del
favor la documentación del Servicio PostventaServicio Postventa AtenciónAtención
Nota Nota
¿Cuál es nuestra primera asociación cuando ¿Cuál es nuestra primera asociación cuando pensamos en un
pensamos en un vehículo de motor? El primer planovehículo de motor? El primer plano casi siempre lo ocupa l
casi siempre lo ocupa la tracción, el a tracción, el motormotor, la, la potencia, la imagen.
potencia, la imagen.
¿Pero qué sería de un automóvil sin la
¿Pero qué sería de un automóvil sin la carrcarrocería?ocería? Es el grupo componente principal de un vehículo, q Es el grupo componente principal de un vehículo, queue comunica a todos los demás comp
comunica a todos los demás componentes y "deonentes y "de paso" también brinda alojamiento a los ocupantes. paso" también brinda alojamiento a los ocupantes. Satisface unos
Satisface unos altoaltos niveles de exigenciass niveles de exigencias
tecnológicas y cumple asimismo los deseos de con tecnológicas y cumple asimismo los deseos de confortfort de los p
de los pasajerasajeros.os. Aparte de
Aparte de ello, la carrocería es la que le da aello, la carrocería es la que le da all vehículo su fisonomía específica y
vehículo su fisonomía específica y con ello también secon ello también se la da a la marca del automóvil.
Introducción
Introducción . . .
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4
Bosquejo histórico . . .
Bosquejo histórico . . .
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La c
La carrocería
arrocería . . .
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Fund
Fundamentos - material .
amentos - material . . .
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Fundame
Fundamentos - material en general
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Fundame
Fundamentos - acero. . .
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Fundame
Fundamentos - tratamiento d
ntos - tratamiento del acero
el acero . . .
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Fundame
Fundamentos - aluminio
ntos - aluminio . . .
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Ac
Aceros para la construcción de carrocerías
eros para la construcción de carrocerías . . .
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Clasificación de lo
Clasificación de los aceros para
s aceros para la construcción d
la construcción de carrocerías
e carrocerías. . . .
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Aumento de res
Aumento de resistencia del acero . . .
istencia del acero . . .
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Estructura de la carroce
Estructura de la carrocería
ría . . .
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Fund
Fundamentos - técnica de procesos
amentos - técnica de procesos. . .
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Fabrica
Fabricación de los semiproductos . . .
ción de los semiproductos . . .
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Chapas empalmada
Chapas empalmadas "tailored blanks"
s "tailored blanks" . . .
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Proc
Procedimientos de unión. .
edimientos de unión. . .
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Proc
Procedimientos de recub
edimientos de recubrimiento
rimiento. . .
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Prot
Protección anticorrosión .
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TTratamient
ratamiento preliminar
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Sellado de costura
Sellado de costurass . . .
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Protecci
Protección antipiedra
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Protecci
Protección contra corr
ón contra corrosión galvánica de contacto. . .
osión galvánica de contacto. . .
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Aca
Acabado en color
bado en color . . .
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Re
Reparación
paración . . .
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Fundamento
Fundamentos
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Métodos de rep
Métodos de reparación
aración . . .
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Glosario .
Glosario . . .
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En el glosario figura la exp
En el glosario figura la explicación de los conceptos
licación de los conceptos
MARCADOSMARCADOSReferencia rápida
Referencia rápida
Introducción
Bosquejo histórico
Carroza Madera/acero
Carrocería por separada sobre un chasis dispuesto para la circulación, p. ej. en el modelo T de Ford
Carrocería no autoportante
Las primeras carrocerías no eran autoportantes – se apoyaban sobre un bastidor o chasis. Se utilizaban bastidores tipo escalera y bastidores tubulares. Hoy en día se aplican los batidores tipo escalera en los camiones de carga y en los vehículos todo terreno.
Las carrocerías no estaban vinculadas básicamente a un fabricante de vehículos. Había fabricantes de bastidores y fabricantes de carrocerías. Por ese motivo era posible adaptar y montar carrocerías sobre diferentes bastidores preparados para la circulación.
Más tarde se empezaron a fabricar las carrocerías utilizando un bastidor de plataforma. Para esos efectos, el casco de la carrocería se colocaba y unía sobre un bastidor de plataforma diseñado especialmente para ese tipo de carrozado. Y sólo después de ello se colocaba el conjunto sobre el chasis dispuesto para la circulación.
Introducción
La carrocería antiguamente y hoy en día – ¿cómo han evolucionado las exigencias y tareas planteadas a la carrocería con motivo del desarrollo técnico?
Antes que nada, conviene definir el concepto de la "carrocería" – es un término de origen francés <carosserie> –, con el que se designa la superestructura completa de un vehículo de motor. En el lenguaje técnico también recibe el nombre de superestructura del vehículo, por ir apoyada en un bastidor o tren de rodaje.
En términos históricos podría relacionarse el comienzo de la evolución de las carrocerías con su primera
implantación en un carruaje de ruedas. A ello también tendrían que pertenecer las primeras carrozas abiertas y las que aparecieron cerradas más tarde.
En este Programa autodidáctico queremos describir las carrocerías siempre en relación con los vehículos de motor.
S421_081
Carrocerías autoportantes
Debido a la necesidad de reducir el peso en la construcción de vehículos se buscaron soluciones de diseñar una carrocería sin el pesado bastidor aparte. Esto debía conseguirse con una carrocería que tan solo por su estructu ra fuese autoportante. Este desarrollo fue respaldado por las nuevas posibilidades tecnológicas que ofrecía el trabajado de la chapa.
En este principio del diseño, las estructuras portantes de la carrocería se encuentran unidas de forma indivisible por medio de diversas técnicas de unión, tales como la soldadura con y sin fusión del material básico, y el pegado. Esta construcción constituye actualmente el modelo estándar general en la fabricación de vehículos de turismo.
Materiales aplicados
Las primeras carrocerías eran todavía de madera, la cual se embellecía y protegía al mismo tiempo contra influencias externas por medio de un recubrimiento exterior correspondiente, que constaba de pintura, tela o plástico.
Las carrocerías modernas vienen siendo optimizadas cada vez más, y ello no sólo en sus estructuras y en sus secciones transversales. Para zonas muy definidas de la carrocería vienen aplicándose cada vez más unos materiales confeccionados específicamente a medida.
En lo que respecta as los materiales, tiene que diferenciarse entre ellos mismos y su tratamiento. Con estos diferentes materiales se pretende corresponder cada vez mejor a las cargas parciales a que se somete la carrocería desde puntos de vista mecánico y técnico de la corrosión.
El material que se emplea principalmente es el acero. Para aligerar las construcciones también vienen aplicándose crecientemente materiales de aluminio y plástico.
Exigencias planteadas a una
carrocería
Con motivo del desarrollo técnico ulterior tiene que cumplir hasta ahora una gama cada vez más compleja de tareas:
● Espacio de transporte para los pasajeros ● Cumplimiento de exigencias de confort, p. ej.
respecto a comodidad, insonorización, etc.
● Alojamiento de todos los componentes técnicos
para la tracción y transmisión de fuerza
● Alojamiento de todos los componentes técnicos
para los sistemas de confort
● Alojamiento de los sistemas de calefacción,
ventilación y climatización
● Alojamiento de todos los sistemas de seguridad ● Diseño de la carrocería para ofrecer una
protección óptima contra posibles efectos nocivos del interior y exterior, como sucede en accidentes
● Efecto de imagen
Arquitectura de una carrocería
La carrocería puede ser diferenciada en dos zonas principales:
● la estructura interior y
● las protecciones exteriores de la estructura
carrocera
La parte interior de la estructura de la carrocería, también llamada celda del habitáculo, debe estar configurada de un modo particularmente resistente a deformaciones, para cumplir con las exigencias que plantea la seguridad.
Las zonas delantera y trasera de la carrocería deben posibilitar la óptima recepción y degradación de la energía del impacto (zonas de deformación
controlada en el sentido de las exigencias planteadas por la seguridad en una colisión). En vehículos
modernos, esto también es válido, en una medida creciente, para las zonas laterales y el techo.
Reparaciones en una carrocería
Debido a la robusta configuración de la estructura interior de la carrocería, las reparaciones en estas zonas resultan particularmente complejas.
Los elementos (de chapa) atornillados a la estructura de la carrocería se sustituyen si presentan
deformaciones intensas.
Introducción
Carrocería
La carrocería se percibe e interpreta frecuentemente primero en el sentido d el diseño. Y sólo después de ello le siguen las asociaciones con el confort técnico y la comodidad.
En esencia, sin embargo, la carrocería es primeramente una parte de un vehículo, que posibilita el transporte de pasajeros – es la "funda de transporte" propiamente dicha para los pasajeros.
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Tomando como ejemplo las carrocerías de los Golf y Passat actuales se muestra a continuación la arquitectura estructural de una carrocería.
La carrocería presenta la estructura interior compartida con componentes de la protección exterior.
con protección exterior
Estructura de la carrocería, protección exterior transparente
Carrocería del Golf modelo 2009
Estructura de la carrocería, protección exterior transparente
con protección exterior
S421_092
Fundamentos - material
Estructuras cristalinas
Toda materia, independientemente de su estado de agregación (gaseoso, líquido o sólido), consta de
ÁTOMOS de diverso tipo (hierro, sodio, oro, nitrógeno,
oxígeno, etc.). LosÁTOMOS se comportan como si
fueran esferas sólidas, cuyo tamaño varía en función de su naturaleza.
Las descripciones a continuación tratan los nexos de las estructuras cristalinas tomando como ejemplo a los metales. Los metales en fusión todavía se
encuentran en estado líquido y sus ÁTOMOS se
mueven de un modo netamente casual, sin conservar una posición fijamente definida.
La estructura cristalina reticular de la figura representa una sección elegida al azar.
LosÁTOMOS amarillos de la figura pretenden mostrar a título de ejemplo una unidad básica de la estructura
cristalina – en este caso un cristal cúbico elemental. Las formas cristalinas se explican más detalladamente en la página siguiente.
Unidad básica (cúbica elemental) Estructura cristalina
Fundamentos - material en general
En las carrocerías de vanguardia se vienen aplicando materiales cada vez más específicos en las diferentes partes de las mismas. Para comprender mejor los motivos por los cuales se toman las decisiones en favor de los
materiales en cuestión, queremos tratar al comienzo algunas bases de la teoría de los materiales.
Cuando la materia se solidifica por enfriamiento, sus
ÁTOMOS ya no se mueven y se ordenan dentro de una
forma tridimensional fijamente definida, llamada la "estructura cristalina".
La estructura cristalina puede ser reducida a la unidad básica mínima de cada caso. En la más simple de sus formas, una unidad básica de esa índole puede ser p. ej. cúbica elemental.
Según el tipo de materia de que se trata, aparte de las formas cúbicas elementales también puede haber formas p. ej. cúbicas centradas en el cuerpo y cúbicas centradas en las caras o bien formas cristalinas hexagonales.
El tipo de la estructura cristalina define las
propiedades características del material, tales como su densidad, DUREZA o el punto de fusión.
S421_100 S421_099
S421_101 Los metales cristalizan sobre todo en tres diferentes
formas:
● Cristal cúbico centrado en el cuerpo
LosIONES DE METAL se ordenan de modo que las
líneas de unión entre ellos forman un cubo. En el centro espacial del cubo se sitúa otro ión de metal. Este tipo de cristalización viene dado en el cromo, molibdeno, vanadio, tungsteno y en el acero, por debajo de unos 900 °C.
IONES DE METAL = átomos con carga eléctrica
● Cristal cúbico centrado en las caras
La forma básica del cristal es asimismo un cubo . Adicionalmente a los 8IONES DE METAL en las
esquinas hay respectivamente un ión en el centro de las 6 caras.
Este tipo de cristalización viene dado p. e j. en el plomo, aluminio, cobre, níquel y en el hierro calentado a más de unos 900 °C.
● Cristal hexagonal
La forma básica de este cristal está constituida por un prisma de base y cara cubriente hexagonal. En el centro de la base y la cara cubriente se sitúa asimismo un IÓN DE METAL, respectivamente. En el
interior del cristal están dispuestos adicionalmente otros tresIONES DE METAL.
Este tipo de cristalización viene dado p. e j. en el magnesio, titanio y cinc.
cúbico centrado en las caras cúbico centrado en el cuerpo hexagonal IONES DE METAL IONES DE METAL IONES DE METAL
S421_089
Fundamentos - material
Estructura del metal
En el metal líquido, en estado de fusión, losIONES y
losELECTRONES libres se mueven de forma
desordenada. Es decir, que todavía no está dado un orden específico.
En la aplicación técnica no se emplea el hierro en su forma pura, sino como ALEACIÓN en diversas formas. El hierro
y los ingredientes de la aleación se funden conjuntamente, con lo cual las adiciones de la aleación se disuelven en el metal básico del hierro. Según las proporciones de la mezcla entre el hierro y las adiciones de la aleación se constituyen diferentes tipos de microestructuras.
Sólo alcomenzar la solidificación se forma un estado de orden. En los sitios en los que se alcanza primero la temperatura de la solidificación comienza la formación de las primeras cristalizaciones.
A medida queprogresa la solidificación se agregan
IONES DE METAL a estos primeros cristales y se
constituyen redes cristalinas. Las redes cristalinas siguen creciendo hasta topar asimismo con redes cristalinas vecinas en crecimiento. Y no pueden seguir creciendo.
Los cristales originados después de la solidificación completa son irregulares en su forma exterior y reciben también el nombre de cristalinos o granos – forman la estructura de un metal.
Comienzo de la solidificación
Solidificación progresiva Solidificación completa Metal fundido en
estado líquido
Primeras cristalizaciones
Cristales en crecimiento Granos IONES DE METAL
Límites del grano
S421_090
Tipos de estructuras
Aleación de cristal mixto
Si en un cristal se sustituyen ÁTOMOS del metal básico
por un ión del metal aleado, se habla de un CRISTAL MIXTO de sustitución.
Si los iones del metal aleado se ordenan entre los
IONES DE METAL, este cristal recibe el nombre de CRISTAL MIXTO de inclusión.
Aleación cristalina mixta
Si al solidificarse la masa fundida se desmezclan ingredientes de la aleación y cada uno de ellos forma cristales propios se habla de una aleación cristalina mixta.
Una particularidad al respecto viene dada en el acero no aleado. El ingrediente de la aleación es aquí el carbono. En el acero se encuentra ligado químicamente en forma de carburo férrico
(cementita) e invade los granos de los cristales de hierro (ferrita) en franjas delgadas – estos granos reciben el nombre de granos perlíticos.
Estructura con cristales mixtos de sustitución
Grano Límite del grano
Estructura con cristales mixtos de inclusión
Estructuras con mezclas cristalinas Grano Límite del grano
Metal básico Metal de aleación
Estructura del acero no aleado Cementita
S421_008 S421_093
Fundamentos - material
Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan mediante ensayos en laboratorio, siendo el más habitual el ensayo de tracción para
determinar la resistencia o bien el límite elástico. En el ensayo de tracción se exponen las probetas del material en cuestión a un creciente esfuerzo de tracción, a temperatura ambiental. Todas las probetas deben tener un tamaño y una forma normalizados, para que sea posible comparar los resultados de los diferentes materiales.
Durante el ensayo se averigua la carga que es necesaria para deformar la probeta hasta que se fractura y se averigua de qué modo se ha deformado la probeta. Con ello puede representarse el
diagrama de tensión/alargamiento (magnitud de la carga puesta en relación con la sección transversal original de la probeta).
Según el tipo de material de que se trata, a lo largo de la curva característica puede intervenir un expreso límite de estricción (zona de alargamiento) o bien puede manifestarse una transición continua del margen de elasticidad hacia el margen de plasticidad (con un límite elástico de un 0,2 %).
Diagrama de tensión/alargamiento – con expreso límite de estricción –
Diagrama de tensión/alargamiento – con un límite elástico de 0,2 % –
Ambas curvas características se entienden a título de ejemplos – pueden diferir de un modo bastante manifiesto en función del material o sus variantes.
La unidad de medida es el Pascal (Pa), como unidad habitual del sistema de medidas internacional. Debido a qu e se trata de valores muy altos se emplea en la mayoría de los casos el MegaPascal (MPa): 1 MPa = 1.000.000 Pa. Sin embargo, también se sigue empleando la unidad del Newton (N) por milímetro cuadrado: 1 MPa = 1 N/mm2.
ReH ReL Rm Z Alargamiento en % T e n s i ó n ( M P a ) Alargamiento en % T e n s i ó n ( M P a ) Rp 0,2 X Margen de plasticidad Margen de elasticidad
Análisis del diagrama de tensión/alargamiento
Un análisis detallado del diagrama de tensión/alargamiento proporciona toda una serie de informaciones, entre las cuales cabe destacar las siguientes:
Límite de estricción R
eHy R
eLAl comienzo de la aplicación de la carga el alargamiento de la probeta es elástico, es decir, que la barra de la probeta recupera su longitud inicial si se le interrumpe la carga. Este comportamiento elástico lo mantiene hasta alcanzar el límite de estricción ReH. Por tal motivo, ese límite también puede ser llamado límite elástico. (Aquí se trata de una contemplación simplificada, a título de ejemplo para el presente Programa autodidáctico – en la práctica, como es natural, existe un sinnúmero de curvas características variantes, en las que p . ej. el límite elástico puede estar situado un poco antes del límite de estricción – estos casos, sin embargo, no se utilizarán en las siguientes consideraciones de este Programa autodidáctico).
El límite elástico separa el margen de la elasticidad con respecto al margen de la plasticidad.
Al sobrepasarse el límite de estricción ReH (límite elástico) la probeta empieza a deformarse de forma plástica. Según el tipo de material de que se trata, el límite de estricción también puede discurrir dentro de un margen específico, el margen de estricción "X" con el límite de estricción superior ReH y límite de estricción inferior ReL (ver figura S421_008).
Si no se produce este expreso límite de estricción se procede a determinar, a manera de límite de estricción sustitutivo, el límite de dilatación de 0,2 %. Es e l punto en el que se constata una dilatación irreversible de un 0,2 %. Para esos efectos se traza una línea paralela al ascenso lineal, a una distancia de 0,2 % de dilatación. El punto de intersección de esta recta con la curva es el límite de estricción sustitutivo Rp 0,2 (ver figura
S421_093).
Resistencia a la tracción o límite de rotura R
mLa tensión alcanza aquí su magnitud máxima. La tensión Rm representa la carga máxima que soporta una sección transversal. A partir de ahí empieza a entallarse la probeta– la superficie de la sección transversal disminuye. En virtud de que la tensión se determina como fuerza por superficie de sección transversal, después del punto Rm disminuye el esfuerzo necesario para seguir produciendo una deformación.
Punto de rotura (Z):
S421_070
Fundamentos - material
Fundamentos - acero
Uno de los materiales más empleados en la construcción de carrocerías para vehículos es el acero. El acero es una
ALEACIÓN de hierro y carbono, siendo el contenido de carbono de un 2,06 % como máximo. Mayores contenidos
conducen a productos de fundición. Si se agregan otros elementos más, tales como níquel, manganeso, fósforo, silicio, cromo, etc. se constituyen con ello las familias de los aceros. Existe una gran multiplicidad de aceros, cada uno de ellos con una composición diferente y, por tanto, con propiedades diferentes.
Fabricación del acero
Acería Alto horno
Explotación del mineral de hierro
El mineral de hierro de los yacimientos naturales es fundido en el alto horno (arrabio). Según la
composición del mineral de hierro empleado obtiene su composición específica propia el arrabio fundido. El arrabio (hierro bruto) generado es ajustado luego en la acería a los valores predefinidos y deseados para su composición química. Esto se puede conseguir eliminando o agregando determinados elementos. El proceso también recibe el nombre de ligar o alear.
Haciendo variar el contenido de carbono y otros elementos aleantes pueden producirse entonces diferentes tipos de aceros. El hierro se transforma en acero especialmente a base de ajustársele el
contenido de carbono de hasta un 2,06 %,
aproximadamente. Con ello pueden implementarse propiedades muy específicas en el acero, tales y como se las desea para la posterior aplicación del material. Caldero de colada Caldero de distribución Desbaste plano Coquilla Salida de la colada Alto horno Alimentación de mineral
Composición química
Cada tipo de acero en estado sólido tiene su propia estructura cristalina; esta estructura le otorga propiedades mecánicas que pueden averiguarse por medio de un análisis metalográfico.
Un aspecto muy importante en la fabricación del acero es la velocidad con la que se calientan y enfrían las materias primas, tanto en el proceso de la fabricación como en los procesos que siguen a éste. Si se analiza el hierro en estado puro es posible averiguar cuál es su estructura cristalina y cuáles sus propiedades magnéticas y su solubilidad en función del aumento o la reducción de la temperatura.
Para ilustrar mejor las propiedades del acero se explican a continuación primeramente las propiedades del hierro puro, luego las propiedades de diversasALEACIONES de hierro con carbono y finalmente las propiedades de ALEACIONES de hierro, carbono y otros componentes.
La acería transporta el material en fusión hacia la planta de colada continua, donde se procesa transformándose en un lingote. Este material de lingote constituye entonces el producto inicial para otros procedimientos destinados a la fabricación de losSEMIPRODUCTOS más variados, tales como los
procedimientos de laminación, tratamiento térmico y recubrimiento de la superficie.
Las propiedades del acero son determinadas por los parámetros principales siguientes:
● la composición química del acero
● el tratamiento ulterior de los productos de acero
Hierro puro
Como base de partida para todas las demás consideraciones relativas a los aceros es preciso que sean conocidas las temperaturas a las que en el hierro puro se modifica la estructura cristalina, es decir, la ordenación de sus
ÁTOMOS.
Esta nueva ordenación requiere un cierto tiempo, durante el cual se mantiene constante la temperatura. Las temperaturas en las que se produce un cambio estructural se denominan "puntos críticos" (ver para ello el diagrama "Puntos de conversión del hierro puro" en la p ágina siguiente). Estos "puntos críticos" están representados en el diagrama con una línea horizontal cada uno, análogamente a una escalera.
S421_009 e d c b a
Fundamentos - material
T e m p e r a t u r a ( ° C )Puntos de conversión del hierro puro
Hierro líquido Hierro delta Hierro gamma Hierro beta Hierro alfa o ferrita Tiempo (mín)
Desarrollo de la curva de enfriamiento Desarrollo de la curva de calentamiento
En los "puntos de conversión críticos", el calor absorbido se consume para la modificación de la estructura cristalina, por lo cual no se manifiesta ningún aumento de la temperatura. Esto significa, que en función de la temperatura se agrupan los átomos de hierro en diversas estructuras cristalinas, con diferentes propiedades magnéticas y diferente solubilidad del carbono.
Calentamiento
A una temperatura comprendida entre los 0 y 790 °C el hierro recibe el nombre de "hierro alfa" o "ferrita", el cual tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, compuesta por nueve átomos de hierro. El hierro alfa es muy magnético y no disuelve
carbono.
Si se sigue calentando el hierro a 790 hasta 910 °C se le da el nombre de "hierro beta", sigue teniendo una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, la cual tampoco disuelve carbono, pero pierde una parte del magnetismo.
Entre los 910 y 1.400 °C se le da el nombre de "hierro gamma". La estructura cúbica se encuentra centrada aquí en las caras. El hierro gamma no es magnético y sí disuelve carbono.
Entre los 1.400 y 1.535 °C se le llama "hierro delta". La estructura cristalina es cúbica, centrada en el cuerpo. En virtud de que solamente lo hay a muy altas
temperaturas, reviste muy poca importancia para el análisis de los tipos de tratamientos térmicos.
A temperaturas superiores a los 1.535 °C el hierro puro se encuentra en estado líquido.
En comparación con la fase de calentamiento, en la de enfriamiento sucede el proceso inverso (con pequeñas diferencias en los "puntos críticos").
S421_010
Puntos de conversión en aleaciones de hierro y carbono
Los aceros cristalizan formando diferentes estructuras en función de la temperatura y el contenido de carbono. Bajo el término del acero se entiende una aleación de hierro y carbono, cuyo contenido de carbono alcanza hasta 2,06 % como máximo. Diagrama hierro-carbono Ferrita T e m p e r a t u r a e n ° C Ferrita + austenita
Interpretación del "diagrama hierro-carbono"
Las líneas del diagrama muestran los "puntos críticos", en los que se modifica la estructura cristalina del acero. Según el contenido de carbono varía la temperatura a la cual se produce el cambio estructural.
Los márgenes limitados por los "puntos críticos" muestran la estructura cristalina que adopta el acero en cada caso.
A altas temperaturas, el acero se encuentra en estado de fusión y todos sus componentes están disueltos – como la sal en el agua.
En la medida en que se va enfriando el acero se solidifican los componentes del hierro y del carbono. Se forman los llamados "cristales austeníticos" (la temperatura de solidificación varía de acuerdo con el contenido de
carbono). Si la temperatura sigue bajando, la ALEACIÓN se solidifica por completo, transformándose en austenita.
Por debajo de unos 723 °C la austenita puede formar dos diferentes estructuras, según sea el contenido de carbono en la ALEACIÓN:
● Si el contenido de carbono es inferior a 0,8 %, la austenita se transforma en perlita y ferrita, que se distribuye
en la forma estructural cristalina del acero.
Carbono en % Austenita + material en fusión
Perlita + cementita Austenita
Perlita + ferrita
Austenita + cementita
Material en fusión El esquema sólo muestra el margen del diagrama de hierro-carbono que es
relevante para los aceros en su versión completa de hasta un 6 % de carbono.
Tipo de estructura
Explicación
Ferrita La ferrita consta de cristales de hierro alfa, que constituyen una red cristalina cúbica centrada en el cuerpo. Hay carbono incrustado en los átomos de hierro (CRISTAL MIXTO incrustado).
La ferrita es el componente más blando del acero.
En sus propiedades mecánicas, la ferrita se caracteriza por tener una resistencia a la tracción de 28 MPa y un alargamiento de 35 hasta 40 %.
Carbono Los átomos puros de carbono se pueden ligar de dos diferentes maneras. Según el tipo de ligamento se produce grafito o diamante.
Para los aceros, como es natural, únicamente reviste importancia el carbono en forma de grafito. Sus combinaciones son débiles y por ello fácilmente craqueables.
El carbono se incluye ya sea en la estructura atómica (CRISTAL MIXTO de inclusión) o en forma de
combi-naciones, ver p. ej. cementita.
Cementita Cementita es una c ombinación de hierro y carbono. Químicamente recibe el nombre de carburo de hierro (Fe3C). La cementita contiene 6,67 % de carbono y 93,33 % de h ierro.
La cementita puede estar incluida de diversa forma en la estructura, en formaciones independientes (p. ej. barritas o agujas) o en forma de conglomeraciones en los límites del grano de la estructura cristalina.
La cementita es el componente más duro, pero también el más quebradizo del acero, con una resistencia a la tracción de 215 M Pa.
Austenita La austenita consta de cristales de hierro gamma, que constituyen una red cristalina cúbica centrada en las caras.
Contiene carbonos, como los que se incluyen entre los átomos de hierro en el caso de la ferrita (CRISTAL MIXTO de inclusión). Debido a los grandes espacios que hay en la estruct ura cristalina cúbica centrada en
las caras, resulta posible incluir una mayor cantidad de carbono en comparación con el caso de la ferrita.
El contenido de carbono varía entre 0 y 2,06 %.
La austenita presenta una resistencia a la tracción de 88 a 105 MPa y un alargamiento de 20 a 23 %. Se distingue por una alta resistencia al desgaste y un bajo índice deDUREZA, siendo el material más frecuente entre los aceros.
Fundamentos - material
Tipos de estructuras
En la tabla se explican las propiedades estructurales y mecánicas más importantes de las composiciones que figuran en el diagrama de hierro-carbono (únicamente el margen del diagrama que reviste importancia para el acero). (Las composiciones relacionadas también intervienen por encima de este margen, es decir, del contenido de > 2,06 % de carbono).
Tipo de estructura
Explicación
Perlita La perlita es una mezcla laminar de cementita y ferrita, que se produce a raíz de la transformación de la austenita. El grosor de las láminas depende de la rapidez del enfriamiento. Cuanto más lento es, tanto mayor es el grosor de las láminas.
La resistencia a la tracción de la perlita se cifra en 55–70 MPa y el alargamiento en 20–28 %.
Los parámetros característicos mecánicos de la perlita se sitúan entre los de la ferrita y la cementita; es más dura y resistente que la ferrita, pero más blanda y maleable que la cementita.
Martensita La martensita tiene sus orígenes en un enfriamiento muy rápido de la austenita.
La estructura cúbica centrada en las caras de la austenita es transformada en una estructura cúbica centrada en el cuerpo. En virtud de que en una estructura cúbica centrada en las caras se disuelve una mayor cantidad de carbono a raíz del mayor espacio disponible en comparación con la estructura cúbica centrada en el cuerpo, el carbono no encuentra suficiente espacio al suceder la transformaci ón de la estructura, por lo cual distorsiona la estructura cristalina y la ensancha. Se constituyen cristales lenticulares, que pueden apreciarse en la imagen de rectificado como la presencia de agujas – las llamadas agujas martensíticas. Las tensiones de presión que se ge neran por el mayor volumen de la martensita provocan una mayorDUREZA, pero también hacen más quebradiza la martensita.
A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento se forma una menor cantidad de perlita, por lo cual se produce una conversión casi total en martensita.
Después de la cementita, en el caso de la martensita se trata de uno de los componentes más duros del acero. La resistencia a la tracción de la martensita se s itúa entre 170 y 250 MPa; el alargamiento entre 0,5 y 2,5 %.
Bainita La bainita se produce del mismo modo que la perlita, a partir de las fases de ferrita y cementita, pero su forma, tamaño y distribución son diferentes.
La bainita consta de una estructura que contiene, en forma de paquete, agujas de ferrita con películas de carburo o bien placas de ferrita con capas intermedias de carburos.
La bainita se produce enfriando rápidamente, de un modo controlado, l a austenita a temperaturas y velocidades de enfriamiento situadas entre las de la perlita y la m artensita. Después de enfriarse la austenita a temperaturas superiores a la de inicio de la mar tensita, en la llamada etapa de bainita se produce la conversión en bainita a temperatura constante (conversión isotérmica).
La velocidad de enfriamiento se controla de modo que no se produzca perlita.
S421_032
Fundamentos - material
A continuación se describen, a título ilustrativo, dos ejemplos de cambios estructurales que ocurren en la fabricación del acero con un contenido de carbono de 0,15 y 1,20 %, respectivamente.
Acero con 0,15 % de carbono
La temperatura inicial se halla por encima de los 1.500 °C – el acero se encuentra en estado líquido.
Si la temperatura cae por debajo de 1.400 °C se solidifica una parte del hierro y del carbono y se produce una mezcla de una fase líquida y austenita.
Si la temperatura desciende por debajo de 1.300 °C, el acero con un contenido de carbono de un 0,15 % ya se encuentra completamente solidificado y transformado en austenita. Así se con serva hasta que la temperatura cae por debajo de los 750 °C.
Entre los 750 y 723 °C se produce una mezcla de austenita y ferrita.
Por debajo de los 723 °C cambia la estructura cristalina y se produce una mezcla de perlita y ferrita. Si durante este proceso se modifica en cualquier punto la velocidad de enfriamiento pueden originarse componentes estructurales que difieren de ello, p. ej. bainita, martensita, etc.
Ferrita Austenita Perlita Fase líquida Austenita Austenita Ferrita
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También este acero se encuentra en estado líquido a los 1.500 °C.
Entre los 1.300 y 1.200 °C está dada una mezcla compuesta por una fase líquida y austenita.
Si la temperatura desciende por debajo de los 1.200 °C, el acero con un contenido de 1,20 % de carbono se encuentra completamente solidificado y transformado en austenita.
Entre los 1.000 y 723 °C se produce una mezcla de austenita y cementita.
A temperaturas inferiores a los 723 °C la estructura cristalina pasa a un estado estable y forma una mezcla de perlita y cementita.
Acero con 1,20 % de carbono
Austenita Fase líquida Cementita Cementita Austenita Austenita Perlita
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Fundamentos - material
Aleación de acero con otros componentes
El contenido de carbono es el que le da la RESISTENCIA al acero.
Si se agregan otros aleantes selectos, p. ej. silicio, fósforo, titanio, niobio o cromo, aparte de poderse ajustar la resistencia también es posible influir de forma enfocada e n otras propiedades específicas del material.
Los efectos de estos elementos ya se manifiestan cuando se agregan tan sólo en pequeñas cantidades con respecto a las de otros aleantes.
LaALEACIÓN de una estructura cristalina del hierro puede efectuarse de los siguientes diferentes modos:
● Sustitución:
ÁTOMOS de otros elementos sustituyen a los átomos de hierro en la matriz cristalina.
● Hueco:
Se eliminan átomos de hierro de la matriz cristalina y el sitio en cuestión se mantiene desocupado.
● Intersticio:
ÁTOMOS de otros elementos, como el titanio, ocupan posiciones intersticiales* entre los átomos de hierro en la
matriz cristalina. Bloquean un posible deslizamiento entre las caras atómicas y aumentan con ello p. ej. la resistencia del conjunto. Su cantidad en la aleación del acero es decisiva sobre las posteriores propiedades mecánicas del material.
Arquitectura cristalina / matriz cristalina
* intersticial – que se encuentra en una posición intermedia dentro de una ordenación
ÁTOMO del material básico
Sustitución
Hueco Intersticio
Aleante Propiedad modificada del acero
Cromo Aumenta la pasividad del acero ante influencias corrosivas
(es el aleante principal destinado a i ncrementar la resistencia de los aceros a la oxidación y a ácidos)
Manganeso Refina el grano, aumenta la resistencia, mejora laDURABILIDAD, aumenta laDUREZA,
el alargamiento y la resistencia al desgaste, influye favorablemente en las propiedades de soldabilidad y forjabilidad
Molibdeno Aumenta laRESISTENCIA y tenacidad; promueve la pasividad del acero ante
influencias corrosivas, mejora la durabilidad, reduce la fragilidad al revenido de los aceros al CrNi y Mn, promueve la formación de grano fino y ejerce una influencia favorable sobre la soldabilidad.
Níquel Aumenta laRESISTENCIA y la tenacidad, contribuye a estabilizar la estructura
austenítica, mejora la maleabilidad también a bajas temperaturas
Niobio El niobio se comporta de un modo parecido al titanio
Fósforo Aumenta laRESISTENCIA, contribuye a establecer un equilibrio entre la prensabiliad y
laRESISTENCIA a efectos mecánicos
Silicio Aumenta laRESISTENCIA y el límite elástico, refina el grano
Nitrógeno Aumenta laRESISTENCIA en aceros austeníticos, mejora las propiedades mecánicas a
temperaturas superiores
Titanio Aumenta laRESISTENCIA y la tenacidad, inhibe el crecimiento del grano y contribuye
así a establecer una estructura cristalina fina, en los aceros aleados al cromo suprime la separación de carburos de cromo y con ello la corrosión limítrofe del grano
En la tabla puede verse, en el ejemplo de algunos aleantes importantes, el modo en que puede influirse sobre las propiedades del acero.
Familia de tratamientos Tratamiento
Tratamientos mecánicos Conformación en frío Conformación en caliente
Tratamientos térmicos Temple
Recocido
Recocido normal Revenido
Tratamientos termoquímicos Cementación en caja Carbocementación Cementación
Procedimiento Desarrollo del procedimiento
Conformación en frío La conformación del acero sucede a temperaturas inferiores a las de su
RECRISTALIZACIÓN. Con ello aumentan laDUREZA, la resistencia a la deformación y el
límite elástico del acero.
Conformación en caliente La conformación del acero se realiza a temperaturas superiores a las de su
RECRISTALIZACIÓN. En el caso de este tratamiento intervienen al mismo tiempo deformaciones plásticas y laRECRISTALIZACIÓN de los granos conformados, teniendo
que mantenerse la temperatura durante el tiempo suficiente para que se produzca una
RECRISTALIZACIÓN completa. Este tratamiento da por resultado las mismas
deformaciones que en el caso de la conformación en frío, pero requiriendo un menor esfuerzo, con lo cual se obtienen aceros más blandos, maleables y con u na estructura cristalina más homogénea.
Fundamentos - material
Tratamiento mecánico
Pertenecen a ello los procedimientos en los que se producen deformaciones irreversibles del metal a base de aplicar energía mecánica. Estos procesos no afectan a la estructura cristalina, sino que mod ifican la elasticidad, tenacidad, plasticidad y la DUREZA.
Hay numerosos tipos de tratamientos, que pueden agruparse en tres grandes familias:
Fundamentos - tratamiento del acero
Procedimiento Desarrollo del procedimiento
Temple El acero se templa enfriándolo rápidamente para evitar que se vuelvan a producir modificaciones en la estructura cristalina.
Recocido El acero se recuece cuando ha experimentado deformaciones debidas a efectos mecánicos u otras causas. El acero es enfriado muy lentamente en ese proceso.
Recocido normal El acero se somete a recocido normal para eliminar tensiones. Para esos efectos se establece el estado normal del acero en cuestión. Esto requiere una velocidad de enfriamiento media.
Revenido Después del temple se procede a calentar nuevamente el acero (revenir). Con ello se respalda la estabilidad de su estructura. El revenido vuelve a neutralizar una parte del temple, siendo estos efectos tanto más intensos, cuanto mayor es la temperatura a la que se calienta el acero en esa operación.
En términos generales, un tratamiento térmico consiste en "calentar y mantener" una temperatura específica del acero durante un tiempo más o menos largo, pero definido. Después de ello es preciso enfriar de un modo adecuado. De ahí resultan modificaciones en la estructura microscópica de los aceros, a las cuales se atribuyen las influencias deseadas deDUREZA yRESISTENCIA.
Esto significa, que en el caso del tratamiento térmico únicamente actúa la energía del calor sobre la estructura cristalina, pero no sobre la composición química del material.
A continuación se describen los cuatro procedimientos de tratamiento térmico más importantes:
Tratamiento térmico
Al tratamiento térmico pertenecen procedimientos en los que cambian las propiedades de los metales por modificación de su estructura, de modo que el material, con estas nuevas propiedades, sea más capaz de cumplir con las tareas previstas.
Con esto se consiguen posibilidades de utilización y rendimientos muy superiores de los que se obtendrían en condiciones normales. Al tratamiento térmico pertenece el tratamiento del acero por medio de aplicación de calor.
S421_023
Composición de las estructuras
Mediante procedimientos de tratamiento térmico pueden conseguirse variantes en la composición de la estructura de los aceros. Esto, como es natural, también depende de la composición del propio acero (contenido de aleantes).
La variante en cuestión se consigue a través del porcentaje específico de determinados componentes estructurales, que tienen una influencia esencial sobre laRESISTENCIA/ DUREZA del acero.
Fundamentos - material
Con ese tipo de tratamiento puede adaptarse el acero a las necesidades de cada caso concreto en la práctica.
Esto se practica así en el caso de las carrocerías. Según las exigencias planteadas a las diferentes partes de la carrocería se aplican aceros con las composiciones microestructurales necesarias y con las características de resistencia correspondientemente requeridas.
Límite elástico Re de componentes microestructurales específicos
En el diagrama se representan los componentes más esenciales de la microestructura con sus respectivos márgenes de resistencia. Bainita: 15–220 MPa Martensita: 170–250 MPa Perlita: 55–70 MPa Austenita: 88–105 MPa Cementita: 215 MPa Ferrita: 28 MPa Límite elástico Re
Procedimiento Desarrollo del procedimiento
Cementación en caja En el caso de la cementación en caja se enriquece con carbono la superficie de la pieza de acero (carburación), creándose con ello la condición necesaria para endurecer posteriormente la superficie.
Para ello se calienta la pieza durante un tiempo definido a una temperatura
adecuada, manteniéndola en contacto con materiales capaces de ceder carbono. El enriquecimiento con carbono puede efectuarse p. ej. mediante carburación con gas, carburación con polvo y carburación en baños salinos.
En la posterior fase de enfriamiento endurecen las capas generadas, pero sin influir sobre el núcleo del material que no fue carburado.
Con este procedimiento se consigue una mayor tenacidad y resistencia al impacto (resiliencia).
Carbocementación La carbocementación es propiamente una variante ampliada de la cementación en caja.
Con este procedimiento, aparte de enriquecerse con carbono las superficies de las piezas de acero, también se las enriquece adicionalmente con nitrógeno.
El enriquecimiento se realiza en un baño de sales de cianuro a temperaturas
correspondientes. Después de ello se procede a enfriar de forma controlada. Debido a las bajas temperaturas de la cementación y del medio de enfriamiento por choque térmico más suave, sólo se producen escasas contracciones.
En las piezas de acero se consigue así que obtengan de un modo simple y rápido unas capas exteriores duras con escaso grosor.
Cementación Mediante cementación por nitruración también se obtienen capas duras en la superficie de una pieza de acero mediante formación de nitruros.
Estas capas alcanzan una granDUREZA, que supera a laDUREZA de las capas
obtenidas por cementación en caja (ver más arriba).
El procedimiento está basado en la particularidad de que el acero admite nitrógeno en su estructura cristalina.
El proceso se aplica a bajas temperaturas, por lo cual son mínimas las contracciones que intervienen. No se realiza ningún enfriamiento por choque térmico y no sucede ninguna transformación de la estructura.
Tratamiento termoquímico
Pertenecen a ello los procesos en los que, aparte de participar la energía térmica (calentar, mantener
temperatura, enfriar) también participan componentes químicos en el tratamiento del acero. La composición de la estructura y también la composición química del acero varían correspondientemente.
Fundamentos - material
Para los vehículos de la marca Volkswagen no se han previsto en la gama carrocerías fabricadas por completo en aluminio. Se emplea el aluminio para componentes específicos, tales como:
● puertas y capós del Phaeton ● capó del motor en el Touareg
El peso viene desempeñando un papel cada vez más importante en la construcción de vehículos. Esto se debe principalmente a que se persiguen objetivos cada vez más ambiciosos de construir vehículos económicos en consumo y respetuosos con el medio ambiente.
Aparte de las soluciones optimizadas por diseño de las carrocerías, un peso bajo también se puede alcanzar implantando materiales más ligeros. Para ello se utiliza p. ej. el aluminio en una medida creciente.
Obtención del aluminio
El aluminio se obtiene de la bauxita por medio de un proceso de disgregación con ayuda de sosa cáustica (NaOH). Este procedimiento recibe el nombre de proceso Bayer.
Bauxita:
● Se origina por intemperización de caliza y silicato
mineral en las condiciones climáticas correspondientes
● El nombre se deriva del lugar del primer hallazgo
Les Baux (sur de Francia)
Es frecuente la existencia del aluminio en la tierra, pero su obtención económicamente aceptable sólo viene siendo posible desde hace unos 100 años. Es difícil separar el aluminio del mineral, porque establece una combinación muy estable con el oxígeno. Por ese motivo no es obtenible como el hierro con ayuda de carbón por fusión del mineral. Sólo desde que existe la dínamo de Werner von Siemens ha sido posible, a finales del siglo XIX, fabricar el aluminio por la vía electrolítica a nivel industrial.
Fundamentos - aluminio
Ó x i d o d e t i t a n i o Ó x i d o d e s i l i c i o Ó x i d o f é r r i c o Óxido de aluminio Electrólisis Aluminio en fusión Aluminio metalúrgico Bauxita Proceso BayerS421_045
Aleación de aluminio
Para garantizar óptimas propiedades del material destinado a las correspondientes condiciones de aplicación de los componentes carroceros, no se emplea el aluminio en su forma pura, sino que se recurre a aleaciones de éste.
El aluminio puro tiene una baja RESISTENCIA.
Agregando otros elementos, es decir,ALEANDO, se
pueden modificar las propiedades del aluminio. Esto se refiere sobre todo a la RESISTENCIA y a la resistencia
a la corrosión.
Los ligantes principales son el magnesio y el silicio. Estas ALEACIONES forman luego la base de partida
para los perfiles extrusionados, cartabones de fundición y chapas de aluminio.
La electrólisis de fusión del aluminio se lleva a cabo a nivel industrial en grandes cubas de hierro, cuyas caras interiores van revestidas con carbón. La cuba hace las veces de cátodo. Como ánodo se utilizan bloques de carbón, que se sumergen en el material en fusión. Revestimiento de carbón Masa fundida de óxido de aluminio Cátodo Aluminio Bloques de carbón como ánodo
El aluminio se precipita, depositándose en el suelo de la cuba, por ser menor la distancia al suelo que hacia las paredes laterales. Debajo de la masa fundida se produce así una capa de aluminio líquido, que se sangra cada 2 - 4 días y se cuela en lingotes.
LaRESISTENCIA de las aleaciones del aluminio puede
ser incrementada por tratamientos de forja y curado. Una condición decisiva para el empleo del aluminio en aplicaciones técnicas viene dada por su
capacidad de curado.
En el proceso de curado se expone el aluminio a una temperatura específica, en la que se consigue
separar los componentes estructurales quebradizos de la aleación. De ese modo se constituyen
resistencias internas contra la deformación, lo cual se manifiesta en un aumento de laRESISTENCIA.
Clasificación
según resistencia Resistencia a latracción en MPa
Clasificación
según la familia de los aceros Procedimiento defabricación
Aceros convencionales hasta aprox. 300 Aceros de embutición profunda Laminado
Aceros de alto límite elástico 300-480 Acero de endurecimiento al horno Endurecimiento al horno 350-730 Acero microaleado;
aceros isotrópicos
Refinamiento del grano y endurecimiento por precipitación 340-480 Acero aleado al fósforo
Acero sin átomos intersticiales (acero IF)
Temple de cristal mixto (solución sólida) Aceros de límite elástico
superior
500-600 Acero de fases dual (DP) Fases duras 6 00-800 Acero de plasticidad inducida por
transformación (TRIP)
Fases duras
Aceros de límite elástico
supremo >800 Acero de fases complejas (CP) Fases duras Aceros de límite elástico
supremo, conformados en caliente
>1000 Acero martensítico Fases duras
Aceros para la construcción de carrocerías
Clasificación de los aceros para la construcción de carrocerías
Debido a la gran cantidad de tipos de aceros que puede haber, es conveniente clasificarlos de acuerdo con unos criterios específicos. Así por ejemplo, los aceros pueden ser clasificados por sus características mecánicas, tales como la resistencia a la tracción o el límite de estricción.
Un ejemplo es la diferenciación en aceros convencionales, de alto límite elástico, de límite elástico superior y de límite elástico supremo.
Si bien, resulta posible clasificar los aceros tan solo conforme a sus características mecánicas, ello, sin embargo, carece de exactitud. No existe un valor fijo que defina los límites entre los diferentes aceros. En la mayoría de los casos se trata de un margen bastante amplio. Así por ejemplo, puede haber casos en los que los aceros de alto límite elástico presenten características idénticas o superiores a las de los aceros de límite elástico superior. Por ese motivo es más habitual, acertado y agradable clasificar los aceros por familias de acu erdo con el procedimiento de su fabricación.
En las páginas siguientes se tratan los aceros de estas familias, en la forma como vienen siendo aplicados
crecientemente en las carrocerías. Sobre todo se explican los mecanismos destinados a incrementar la RESISTENCIA
en comparación con el acero convencional para embutición profunda. Es importante que exista un equilibrio entre el aumento de la resistencia y la maleabilidad.
El aumento de laRESISTENCIA de los aceros se consigue, en esencia, de cuatro diversas maneras:
● por temple de cristal mixto (CRISTAL MIXTO = solución sólida/dura), ● por refinamiento del grano y endurecimiento por precipitación,
S421_014
● Aceros aleados al fósforo:
Estos aceros también tienen una matriz de ferrita y contienen elementos de temple resultantes del temple de cristal mixto con fósforo (sustitución), cuyo contenido puede alcanzar hasta un 0,12 %. Los aceros se distinguen por su combinación entre la "RESISTENCIA mecánica y la prensabilidad", por
lo cual hallan múltiples aplicaciones, por ejemplo para piezas estructurales o de refuerzo (largueros, travesaños, pilares, etc.), piezas que tienen que ser resistentes a la fatiga o piezas que
desempeñan un papel importante en colisiones. Los aceros suelen tener una resistencia mínima a la tracción comprendida entre los 340 y 480 MPa o un límite de estricción mínimo entre 220 y 360 MPa.
Aumento de resistencia del acero
Aumento de resistencia – por temple de cristal mixto
Con el término del temple se asocia generalmente un tratamiento térmico del acero para conseguir una mayor
DUREZA. El aumento de laRESISTENCIA y también de la DUREZA, sin embargo, ya puede conseguirse asimismo por
medio de la ALEACIÓN con otros elementos. En el caso de esta forma de proceder se habla de un temple del cristal
mixto (también solución sólida). Con este procedimiento para endurecer el material pueden obtenerse p. ej. ambos tipos de aceros IF (aceros sin átomos intersticiales) de límite elástico superior y aceros aleados al fósforo.
Material aleante incluido en los intersticios (IF)
(p. ej. carbono y nitrógeno)
ÁTOMO de la estructura molecular básica de FE
ÁTOMO de FE cambiado por sustitución (p. ej. fósforo)
● Aceros IF de límite elástico superior
Estos aceros poseen una matriz de ferrita sin aleantes intersticiales disueltos. En la masa fundida del acero se aplica un tratamiento específico para establecer ya desde ahí un
contenido correspondientemente bajo de carbono y nitrógeno. LosÁTOMOS restantes de estos
elementos son ligados por microaleación con titanio y niobio. Estos aceros poseen una buena maleabilidad a falta de los bloqueos provocados por el carbono y el nitrógeno (aceros sin átomos intersticiales). Para ajustar la RESISTENCIA deseada
se agrega fósforo y manganeso al acero. En tal caso se habla de aceros IF de límite elástico superior. Estos aceros suelen tener una resistencia mínima a la tracción comprendida entre 340 y 460 MPa o un límite de estricción mínimo (aquí el límite de dilatación de 0,2% RP0,2) entre 180 y 340 MPa.
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Aceros para la construcción de carrocerías
Aumento de resistencia – por refinamiento del grano / endurecimiento
por precipitación
LaRESISTENCIA de un acero puede ser incrementada a
base de reducir el tamaño del grano (refinamiento del grano) y mediante endurecimiento por
precipitación. El principio del refinamiento del grano se utiliza p. ej. para aceros microaleados. Para ello se aplican pequeñas cantidades de los aleantes
vanadio, niobio y titanio. Durante el proceso de laminado en caliente, esta microaleación produce una fina dispersión de separaciones de carburo/ nitruro. Con ello se limita el crecimiento del grano y surgen granos de ferrita de < 10 micras. A lo largo de la conversión, sin embargo, en la siguiente fase de enfriamiento lento se vuelven a separar carburos/ nitruros. Estos son aún más finos – provocan un endurecimiento por precipitación.
De esta forma se obtienen aceros de grano fino microaleados, con una alta RESISTENCIA y un limitado
contenido de aleantes.
Los aceros de grano fino microaleados suelen tener una resistencia mínima a la tracción entre 350 y 730 MPa o un límite de estricción mínimo de 260 a 550 MPa. M i c r o e s t r u c t u r a ÁTOMOS
Grano del cristal
Estos aceros se emplean sobre todo para piezas estructurales interiores de la carrocería, que deben presentar una alta resistencia a la fatiga, como son por ejemplo los refuerzos y elementos de
suspensiones de anclaje. Gracias a sus propiedades mecánicas permiten crear piezas de refuerzo y estructurales más ligeras.
Una variante de los aceros microaleados está constituida por los aceros isotrópicos, en los cuales las características específicas del material no están supeditadas al sentido de la laminación. El
comportamiento isotrópico se consigue mediante una técnica de aleación especial por medio de
manganeso y silicio. Los aceros isotrópicos suelen poseer una resistencia mínima a la tracción
comprendida entre los 300 y 400 MPa o un límite de estricción mínimo de 260 a 550 MPa.
Los aceros isotrópicos resultan particularmente adecuados para componentes de la chapa exterior, a los que les corresponde una gran importancia el comportamiento isotrópico.
Los aceros de grano fino microaleados son muy adecuados para la soldadura en cualquiera de los procesos. E s t r u c t u r a c r i s t a l i n a
S421_022 Los aceros de endurecimiento al horno son muy
adecuados para la conformación en el estado de suministro. Su resistencia superior definitiva la reciben después de pasar la pieza conformada por el horno para el secado de la pintura. Estos aceros cumplen de un modo muy adecuado las exigencias planteadas en lo que respecta a un buen comportamiento de
conformación asociado a una alta resistencia de la pieza – esto manifiesta ser una gran ventaja en la fabricación de una carrocería.
El aumento del límite elástico Re a Re(BH) se obtiene por medio de un tratamiento térmico a baja temperatura, como sucede en el horno para el secado de la
pintura. Esto también recibe el nombre del "efecto de secado al horno - bake-hardening effect" (BH effect), lo que significa que el calentado y secado en el horno a 180 °C es comparable con una operación de horneado.
Este calentamiento resulta suficiente para modificar la estructura molecular de las chapas, de modo que entre en vigor un aumento del límite elástico.
Los aceros BH constan de una matriz de ferrita, que contiene el carbono en solución sólida que se necesita para el posterior "efecto de endurecimiento al horno". La mejora obtenida con el tratamiento térmico suele superar los 40 MPa, lo que significa que un acero con una resistencia a la rotura (Rp 0,2) de aprox. 220 MPa, después de someterse al "efecto de endurecimiento al horno", presenta una resistencia a la rotura de hasta 260 MPa. Los aceros de endurecimiento al horno suelen tener una resistencia mínima a la tracción comprendida entre los 300 y 480 MPa o un límite de estricción mínimo de 180 a 360 MPa.
Ventajas del "efecto de endurecimiento al horno":
● Mejora la resistencia a la deformación de todas las piezas procesadas, incluso la de aque llas que poseen un
bajo nivel de deformación (capós de motor, techos, puertas, aletas…).
● Se requiere un menor espesor de la chapa para obtener las mismas propiedades mecánicas. De ese modo se
reduce el peso de la carrocería y aumenta a la vez su resistencia a la deformación.
Los aceros BH se emplean para piezas que guarnecen la carrocería (puertas, capós de motor, portones
posteriores, aletas delanteras y techos) o p ara piezas estructurales importantes (refuerzos de pilares o largueros).
Aumento de resistencia – mediante endurecimiento
al horno
Límite elástico (Re)después del tratamiento térmico
T e n s i ó n ( M P a ) Alargamiento (%) Límite elástico (Re) original I n c r e m e n t o o b t e n i d o p o r m e d i o d e B H
Aceros para la construcción de carrocerías
El aumento de laRESISTENCIA de los aceros por medio
de fases duras permite obtener así los llamados "aceros polifacéticos", que consiguen su RESISTENCIA
por medio de la coexistencia de fases "duras" y "blandas" – es decir, de varias fases en su microestructura.
Estas fases duras y blandas constituyen componentes microestructurales del acero, que se caracterizan por poseer cada uno unaDUREZA diferente.
Fabricación de aceros polifacéticos
Para la fabricación de aceros polifacéticos se aprovecha la capacidad del acero de formar diferentes microestructuras en función de las condiciones de conformación y enfriamiento. Estos diferentes componentes microestructurales, y particularmente su combinación inteligente, permiten ajustar las propiedades del material de un modo muy variable, adaptado a los deseos del cliente.
Los aceros polifacéticos se fabrican actualmente dentro de un margen de resistencias a la tracción comprendidas entre los 500 y aprox. 1.400 MPa.
Tomando como ejemplo el tratamiento de la banda de chapa laminada en caliente se pretende explicar a continuación los aceros polifacéticos y su elaboración – incluyendo representaciones gráficas simplificadas de las fases de temperatura y conversión (ver página 36 – 37).
En la fabricación del acero con fases duras se parte de un acero inicial que se somete a un proceso específico que lo transforma en un acero con una modificada composición de su microestructura.
Aumento de resistencia – mediante fases duras
Cada fabricante puede aplicar sus propios métodos para la elaboración. Así p. ej., en el caso de la banda de chapa laminada en frío puede conseguirse
posteriormente la microestructura deseada calentando el material.
Asimismo, la banda de chapa obtenida por laminación en caliente puede ser enfriada
directamente a continuación, con lo cual se logra configurar la microestructura deseada.
S421_031 Pertenecen a la categoría de los aceros polifacéticos:
● aceros DP (aceros de fase dual)
● aceros TRIP (aceros de plasticidad inducida por transformación) ● aceros CP (aceros de fases complejas)
● aceros MS (aceros martensíticos)
Todos estos aceros se distinguen por su alta rigidez, alta absorción de energía y una gran resistencia a la
deformación. Las aplicaciones más usuales son aquellas, en las que se requiere una alta absorción de energía sin deformación de la pieza, como sucede en el caso del refuerzo para el pilar B o de los refuerzos interiores para el larguero inferior.
La reconformación de chapas de este tipo suele plantear dificultades, por lo cual se procede más bien a la sustitución directa de la pieza en cuestión. En cambio, la soldabilidad es óptima con cualquier procedimiento.
Ferrita Austenita Martensita Bainita Aceros DP Resistencia a la tracción Rm
Aceros TRIP Aceros MS
Aceros CP
500 - 600 MPa
600 - 800 MPa
>800 MPa
