Estampado en Caliente PDF

 

UNIVERSID UNIVE RSIDAD AD AUTÓNOMA METROPOLITANA METROPOLITANA   Unidad Azcapotzalco División de Ciencias Básicas e Ingeniería

“ESTAMPADO EN CALIENTE”  UEA:

 

Metalurgia Mecánica Avanzada PROFESOR:

Daniel Flores Sánchez INTEGRANTES: •

  Karen Gutiérrez Suárez   LuisGuadalupe Ángel Santillan Barbosa     Víctor Daniel García Santana 

 

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Trimestre Lectivo: 20-P

Fecha de Entrega: 26 de Octubre del 2020

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Contenido Introducción ........................................................................................................................... 2 Métodos.................................................................................................................................. 4 Directo................................................................................................................................. Directo ................................................................................................................................. 4 Indirecto .................................................... .......................................................................................................... .......................................................................... .................... 5 Variables ................................................................................................................................. 5 Curva Temperatura-Transformación .................................................................................. ...................................................................... ............ 5 Composición química ................................................... ....................................................................................................... ....................................................... ... 7 Coeficiente de fricción .................................................................................... ........................................................................................................ .................... 7 Simulación .............................................................................................................................. 9 Simulación de termo mecánica acoplada y evolución de la microestructura .................... 9 Propiedades térmicas y mecánicas requerido para conformado a alta temperatura ..... 10 Ventajas y desventajas ........................................................................................................ .................................................... ...................................................... 12 Conclusión ............................................................................................................................ 13 Bibliografía .................................................... .......................................................................................................... ........................................................................ .................. 13

Introducción  El estampado en caliente es un proceso que es temáticamente similar al conformado en caliente en el sentido de que puede usar la formabilidad mejorada del acero a alta temperatura para proporcionar una formabilidad excepcional (Karbasian 2010; Bariani et al. 2008;Abbasi et al. 2012). Sin embargo, antes del paso final, el acero está por encima de su temperatura de austenización y las matrices están frías. Esto provoca la formación de martensita muy dura y fuerte en el proceso combinado de templado y conformado. En este proceso se utilizan aleaciones especialmente diseñadas que desarrollan niveles de resistencia excepcionales. Esto permite la producción de estructuras de cabina extremadamente fuertes y seguras. Debido a la demanda de un peso reducido del vehículo, seguridad mejorada y cualidades de resistencia a los choques, se ha llegado a la necesidad de fabricar componentes estructurales de automóviles a partir de aceros de ultra alta resistencia (Åkerström, 2006). En la industria automotriz, para mejorar la seguridad de los vehículos y reducir el consumo de combustible, la fabricación de piezas de carrocería ligeras a partir de aceros de ultra alta resistencia (UHSS) está aumentando rápidamente. La formación de UHSS a temperatura ambiente está limitada por una baja conformabilidad y una recuperación elástica considerable. Por lo tanto, el estampado en caliente se acepta como una solución alternativa viable y se usa ampliamente (Fig. 1). “La estampación en caliente es un proceso 2

 

de conformado no isotérmico para láminas de metal, donde el conformado y el temple tienen lugar en el mismo paso de conformado” . Este proceso aprovecha el bajo esfu erzo de flujo del acero aleado con boro (22MnB5) en fase austenítica a temperatura elevada y permite la fabricación de piezas con resistencia ultra alta, mínima recuperación elástica y espesor de chapa reducido (A. Naganathan, 2012).

Figura 1. Componentes fabricados mediante estampación en caliente (A. Naganathan, 2012).

La estampación en caliente fue desarrollada y patentada en 1977 por una empresa sueca (Plannja), que utilizaba el proceso para hojas de sierra y hojas de cortacésped. En 1984, Saab Automobile AB fue el primer fabricante de vehículos que adoptó un componente de acero al boro endurecido para el Saab 9000. El número de piezas producidas aumentó de 3 millones de piezas por año en 1987 a 8 millones de piezas por año en 1997. Desde el año 2000, se han utilizado más piezas estampadas en caliente en los automóviles y el número de piezas producidas por año ha aumentado a aproximadamente 107 millones de piezas por año en 2007 (Aspacher, 2008). Las piezas estampadas en caliente aplicadas en la industria automotriz son componentes de chasis, como pilar A, pilar B, parachoques, riel de techo, riel de balancín y túnel (Fig. 2).  2). 

Figura 2. Piezas estampadas en caliente en un automóvil típico de clase media. (A. Naganathan, 2012)

El proceso de estampado en caliente existe actualmente en dos variantes principales diferentes: el método de estampado en caliente directo e indirecto. En el proceso de estampado en caliente directo, una pieza en bruto se calienta en un horno, se transfiere a la prensa y posteriormente se forma y se enfría en la herramienta cerrada (Fig. 3a). El 3

 

proceso de estampado en caliente indirecto se caracteriza por el uso de una pieza preformada en frío casi completa que se somete únicamente a una operación de templado y calibración en la prensa después de la austenitización (Fig. 3b). La transformación completa de martensita en el material provoca un aumento de la resistencia a la tracción de hasta 1500 MPa.  MPa. 

Figura 3. Cadenas básicas del proceso de estampado en caliente: (a) estampado en caliente directo, (b) estampado en caliente indirecto.

Métodos  Directo

En el método directo (Fig. 4), la pieza en bruto se austeniza a temperaturas entre 900 y 950°C durante 4 a 10 minutos dentro de un horno de alimentación continua y posteriormente se transfieren a un juego de matrices refrigerado internamente mediante una unidad de transferencia. La transferencia suele tardar menos de 3 s. A alta a lta temperatura (650 a 850 ° C), el material tiene una alta capacidad de conformación y se pueden formar formas complejas en una sola pasada. La pieza en bruto se sella y se enfría bajo presión durante un período de tiempo específico de acuerdo con el grosor de la hoja después de alcanzar la profundidad de estirado. Durante este período, la pieza formada se enfría en el juego de matrices cerrado que se enfría internamente por circulación de agua a una velocidad de enfriamiento de 50 a 100°C / s, completando el enfriamiento (transformación martensítica). proceso. El tiempo total del ciclo para transferir, estampar y enfriar en la matriz es de 15 a 25 s. La pieza sale de la línea de estampado en caliente a aproximadamente 150°C y con altas al tas propiedades mecánicas de 1400 a 1600 MPa y un límite elástico entre 1000 y 1200 MPa (A. Naganathan, 2012). 

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Figura 4. Representación del método directo (A. Naganathan, 2012)

Indirecto

A diferencia del proceso directo, el estampado en caliente indirecto (Fig. 5) proporciona una pieza a estirar, sin calentar, hasta ha sta aproximadamente del 90 al 95% de su forma final en una matriz convencional, seguida de una operación de recorte parcial, dependiendo de la tolerancia del borde. Luego, las preformas se calientan en un horno continuo y se enfrían en la matriz. El motivo del paso adicional es ampliar los límites de conformado para formas muy complejas conformando en caliente y templando las piezas conformadas en frío.

Figura 5. Representación del método Indirecto (A. Naganathan, 2012)

Variables  Curva Temperatura-Transformación

Inicialmente, el material presenta una microestructura ferrítico-perlítica con una resistencia a la tracción de aproximadamente 600 MPa. Después del proceso de estampado en caliente, el componente finalmente tiene una microestructura martensítica con una resistencia total de aproximadamente 1500 MPa (Fig. 6). Para lograr ta tall transformación de microestructura y dureza, la pieza en bruto debe austenitizarse en un horno durante al menos 5 min a 950°C. Posteriormente, el blanco se forma y se enfría simultáneamente con el troquel enfriado por agua durante 5 a 10s. Debido al contacto entre la pieza en bruto caliente y la herramienta fría, la pieza en bruto se enfría en la herramienta cerrada. Si la velocidad de enfriamiento supera una velocidad mínima de enfriamiento de aproximadamente 49°C/s, a una temperatura de alrededor de 400°C, se inducirá una transformación martensítica sin 5

 

difusión, que finalmente es responsable de la alta resistencia resultante de la pieza (Fig. 7) (Merklein et al., 2008). La transformación de martensita comienza a 425°C (punto de inicio de martensita Ms) y termina a 280° C (punto final de martensita Mf ) (Somani et al., 2001). 2001).  

Figura 6. Propiedades mecánicas de 22MnB5

Figura 7. Diagrama de transformación por enfriamiento continuo de 22MnB5 de Arcelor. A, austenita; B, bainita; F,  ferrita; P, perlita; M, martensita.

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Composición química de 22MnB5

Las aleaciones de boro de los grados de acero 22MnB5, 27MnCrB5 y 37MnB4 son los únicos grados de acero (Tabla 1) que producen una microestruc microestructura tura completamente martensítica después del estampado en caliente cuando se utiliza una herramienta enfriada por agua (Naderi, 2007). Aquí, el grado de acero 22MnB5 es el grado de acero más utilizado en los procesos de estampado en caliente.  caliente.  Aquí, el grado de acero 22MnB5 es el grado de acero más utilizado en los procesos de estampado en caliente. Las propiedades mecánicas del acero después del enfriamiento cambian dependiendo de su contenido de carbono y, en consecuencia, la resistencia después del enfriamiento puede controlarse mediante un ajuste adecuado del contenido de carbono. Se sabe que los elementos de aleación, tales como Mn y Cr, tienen solo una pequeña influencia en la resistencia después del enfriamiento. Sin embargo, dado que estos elementos influyen en la templabilidad, son esenciales para cambiar los campos de existencia. Por lo tanto, la transformación de fase deseada y la templabilidad se logra mediante velocidades de enfriamiento técnicamente factibles (García Aranda et al., 2002). El boro es el elemento que más influye en la templabilidad, mientras que el boro ralentiza la conversión en microestructuras más blandas y conduce a una microestructura martensítica sobre la sección transversal de la pieza.  pieza.  Tabla 1. Componentes químicos y propiedades mecánicas de los aceros al Boro (Naderi, 2007)  

Coeficiente de fricción 

El coeficiente de fricción es un parámetro importante para calcular el flujo de material y la transferencia de calor precisos durante la simulación de estampado en caliente. El coeficiente de fricción en las condiciones relevantes de estampado en caliente se calcula utilizando un tribosimulador y la prueba de estiramiento de copa modificada. La figura 8 representa un esquema de la máquina de ensayo utilizada para determinar la fricción en el estampado en caliente.

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Figura 8. Esquema de la máquina de prueba utilizada para determinar la fricción en la estampación en caliente

Coeficiente de transferencia de calor La transferencia de calor entre el material laminar y la matriz con canales de enfriamiento integrados determina la formación de martensita y las propiedades de la pieza final. En la figura 9 se muestra la configuración experimental para calcular el coeficiente de transferencia de calor por contacto entre los materiales laminados y la matriz. La configuración contiene dos placas rectangulares refrigeradas por agua para enfriar la muestra bajo presión. La muestra se calienta en un horno a la temperatura de austenitización de 850 a 950 ° C y se coloca manualmente en cuatro pasadores con resorte. Con esta configuración experimental, las muestras se pueden cargar durante el enfriamiento hasta una presión de 40 MPa.

Figura 9. Configuración experimental para encontrar el coeficiente de transferencia de calor.

El coeficiente de transferencia de calor se calcula utilizando la ley de enfriamiento de Newton, dada por:

donde T0 y T (t) son la temperatura inicial y actual de la muestra durante el experimento de enfriamiento, Tu es la temperatura de las placas de contacto, t es el tiempo durante el experimento, A es el área de contacto geométrico y Cp es el capacidad calorífica de la muestra. El coeficiente de transferencia de calor, α, se calcula en un momento particular, t, a partir de la ecuación antes

mencionada, y la presión de contacto correspondiente se mide a partir del experimento. La presión de contacto varía de 0 a 40 MPa. Las muestras se calentaron a la temperatura de austenitización de 8

 

950°C durante 5 min. Los experimentos se repitieron para cinco muestras (n = 5). El coeficiente de transferencia de calor aumenta en función de la presión debido al aumento del área de la superficie de contacto.

Simulación  Es importante predecir las propiedades finales del componente estampado en caliente al principio del proceso de desarrollo del producto. Si se pueden obtener predicciones precisas de la geometría y microestructura de la pieza con simulaciones numéricas, es posible crear componentes con propiedades y funcionalidades a medida en diferentes zonas de la componente. Por ejemplo, un pilar B se puede fabricar con una zona de material más suave en su extremo inferior. Al permitir el pandeo controlado en esta zona inferior, se puede evitar el pandeo severo en una ubicación más alta con una posible penetración en el compartimento de pasajeros (A, Naganathan, 2012)  Simulación de termo mecánica acoplada y evolución de la microestructura 

La simulación implica una simulación combinada de evolución termomecánica y microestructura. Se identifican los siguientes desafíos en la simulación de elementos finitos del proceso de estampado en caliente:   Parámetros del material dependientes de la temperatura y de la velocidad de deformación (térmicos y mecánicos)   Transferencia de calor entre la pieza de trabajo y la matriz (según las condiciones de contacto actuales)   Cálculo termomecánico acoplado   Evolución de la microestructura del material en función de la temperatura, el tiempo y la deformación. La interacción entre el campo mecánico, el campo térmico y la evolución de la microestructura durante el proceso de estampación en caliente se muestra en el esquema de la figura 10. En la tabla 2 se ofrece una descripción de los diferentes parámetros de interacción que se muestran en la figura 10. •

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Figura 10. Interacciones entre el campo mecánico, térmico y evolución de la microestructura microestructura (A,  (A, Naganathan, 2012) 

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Tabla 2. Descripción de Interacciones (A, Naganathan, 2012)  No. 

Descripción de interacciones 

1a 1b 2

Las condiciones de frontera térmica dependen de la deformación. Generación de calor debido a la disipación disipación y fricción fricción plástica (no se tiene en cuenta para este trabajo) Expansión térmica

3a 3b 4 5a 5b 5c 5d 6

Calor latente debido a las transformaciones transformaciones de fase Las propiedades térmicas de los materiales dependen de la evolución de la microestructura. microestructura. La evolución de la microestructura microestructura depende de la temperatura Las propiedades mecánicas dependen de la evolución de la microestructura. microestructura. Cambio de volumen debido a transformaciones de fase Transformación plástica Memoria de deformaciones deformaciones plásticas durante las transformaciones transformaciones de fase Las transformaciones transformaciones de fase dependen de la tensión y la deformación

Los efectos de algunos de los parámetros de interacción son importantes y algunos parámetros pueden pasarse por alto en la simulación. Por ejemplo, la generación de calor debido a la deformación plástica y la fricción puede despreciarse en comparación con la transferencia de calor total entre la pieza en bruto y las herramientas En la Tabla 2, el parámetro 1a, condiciones de frontera térmico basadas en la deformación, representa el coeficiente de transferencia de calor por contacto entre la matriz y la pieza en bruto en función de la presión. El parámetro 1b puede despreciarse en la simulación debido a su cantidad insignificante en comparación con la transferencia de calor total entre la pieza en bruto y la matriz. Los parámetros 2 y 5b se pueden incluir en la simulación considerando la variación del valor de dilatación térmica en función de la temperatura. Parámetro 3a se puede incluir en la simulación considerando la variación de la capacidad calorífica del material con respecto a la temperatura. Los parámetros 3b y 5a representan la dependencia de los parámetros del material en la evolución de la microestructu microestructura ra basada en un cierto historial de temperatura. Hay dos métodos para considerar estos efectos en la simulación. Primero, con base en la información de la fracción de volumen de diferentes fases (austenita, ferrita, perlita, bainita y martensita) y sus propiedades, la propiedad general del material se puede calcular usando reglas de mezcla. En segundo lugar, este efecto puede considerarse directamente mediante experimentos adecuados de caracterización de materiales Propiedades térmicas y mecánicas requerido para conformado a alta temperatura

  Datos fiables de tensión de flujo en función de la tensión, la temperatura y la tasa

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de tensión para ambos El material en bruto y el troquel son importantes para una simulación numérica precisa. Estos datos se obtienen mediante ensayo de tracción o ensayo de compresión a alta temperatura.   El módulo de Young en función de la temperatura •

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El módulo de Young es una descripción de la rigidez mecánica del material. Depende de la temperatura y disminuye a altas temperaturas   Relación de Poisson en función de la tempera La relación de Poisson relaciona la deformación axial y lateral en compresión o tensión uniaxial.   Conductividad térmica en función de Temperatura. •

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La conductividad térmica define capacidad de un material para transferir calor. Esta propiedad depende de la fase y dellamaterial.   Capacidad calorífica en función de la temperatura. La capacidad calorífica de un material representa la cantidad de energía necesaria para producir un aumento de temperatura unitario. Esta propiedad depende de la fase y la temperatura. La función de capacidad calorífica incluye los efectos del calor latente liberado durante la transformación de austenita a martensita   Coeficiente de transferencia de calor entre matriz y material laminar Durante el proceso de estampado en caliente cambia en función de la distancia hasta que el troquel toca realmente el material materia l de la hoja y en función de la presión durante el proceso de deformación   Plasticidad inducida por transformación. •

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Durante fase, el material sufre una deformación plástica incluso si el esfuerzo transformaciones aplicado es menorde que el límite elástico. Ocurre por dos mecanismos: La diferencia de volumen entre las fases genera tensiones internas lo suficientemente grandes como para provocar deformaciones plásticas en la fase más débil (mecanismo de Greenwood-Johnson). La formación de la nueva fase (martensita en este caso) ocurre en una orientación preferida que influye en la forma global del material. Modelo constitutivo para estampado en caliente de Akerstrom  

Akertrom, de la Universidad Tecnológica de Lulea, Suecia, desarrolló un modelo constitutivo termo elástico-plástico basado en el criterio de rendimiento de Von Mises con flujo plástico asociado. Estelamodelo incluye elEste efecto de la descomposición delalasimulación austenita yde la plasticidad inducida por transformación. modelo es adecuado para eleme ntos elementos finitos utilizando el método explícito.   Modelo constitutivo para estampado en caliente de Behrens  

El modelo desarrollado por Behrens se puede utilizar para métodos de simulación implícitos, que son más eficientes para simulaciones de transferencia de calor que implican i mplican una mayor duración y pequeñas deformaciones. Este modelo utiliza la ecuación de JohnsonMehl-Avrami para la transformación de austenita controlada por difusión y la ecuación de Koistinen-Marburger para la transformación sin difusión (austenita a martensita). 

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Ventajas y desventajas  VENTAJAS

  La ventaja más significativa de la estampación en caliente, después de su capacidad

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de fortalecimiento, es su capacidad de alivio ali vio de tensión que resuelve los problemas de recuperación elástica y deformación, un problema común cuando se forma acero a cero de alta resistencia (HSS) y acero avanzado de alta resistencia (AHSS).

  En el caso de la estampación en caliente moderna, se pueden formar piezas

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relativamente complejas en una matriz de un un solo paso, el resultado es una pieza compleja, de forma casi neta, con un límite elástico muchas veces más fuerte que una pieza de acero dulce.

  El estampado en caliente es más adecuado para formar componentes que deben

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ser livianos y muy fuertes.

  Debido a que el estampado en caliente permite la formación de piezas complejas en

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una sola pasada, los ensamblajes de múltiples componentes se pueden rediseñar y formar como un solo componente, eliminando algunos procesos de unión posteriores como la soldadura.

DESVENTAJAS   Recorte láser. El corte final debe hacerse con un láser porque una vez que la pieza se endurece a presión, es demasiado difícil de cortar con los tradicionales troqueles de corte de acero.   Costo material. El acero al boro cuesta más que los materiales con bajo contenido de carbono.   No se puede reformar. El estampado en caliente es un proceso de un solo paso; de hecho, no se pueden realizar múltiples procesos, como embutidos o rebordes adicionales, porque el material está endurecido.   Formación más lenta. El proceso de conformado en caliente es más lento que el estampado en frío. De un golpe a otro, toma de 15 a 20 segundos.   Materiales limitados. Este proceso de conformado en caliente no se puede aplicar al acero galvanizado o pre-pintado; sólo los materiales material es de boro pueden estamparse en caliente. El boro es el elemento que le da al material la capacidad de cambiar de un material regular a un material de martensita cuando se enfría.

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Conclusión Karen Guadalupe Gutiérrez Guti érrez Suárez

La estampación en caliente es un proceso que permite producir estampados particularess hasta tres veces más resistentes que los fabricados mediante métodos particulare comunes de prensado. Este proceso es uno de los métodos más utilizados en la industria para la fabricación de piezas como la industria automotriz; ya que forman piezas complejas, livianas y muy fuertes y el proceso de fabricación es en corto tiempo. Luis Ángel Sa Santill ntillan an Barbosa

El conformado de aceros de alta resistencia a temperatura ambiente es muy complicado, debido a la buena recuperación elástica que este presenta, por lo que, el proceso de estampación en caliente es una alternativa viable. Este proceso es muy utilizado dentro de la industria automotriz, se obtienen piezas con alta resistencia, además, el proceso es muy rentable, en el sentido que es muy rápido, tarda de 10-15 segundos. Víctor Daniel García Santana

El proceso de estampación en caliente se aplica comúnmente para fabricar aceros de ultra alta resistencia que se utilizan en la industria automotriz. Es un proceso combinado de templado y conformado para mejorar la formalidad y gracias a avances tecnológicos se pueden manipular los parámetros que definen las propiedades finales del material por simulación.

Bibliografía A. Naganathan, L. P. (2012). Hot Stamping. En A. T. T. Altan, Sheet Metal Forming (págs. 133-142). Ohio, U.S.A: ASM International. 

Bachman, K., (1 de abril de 2009). Stamping Journal. The fabricator. Recuperado el 21 de octubre de 2020 de https://www.thefabricator.com/stampingjournal/article/stamping/10-hot-stamping-hssfaqs.

Karbasian, H., Tekkaya, A.E. (19 de julio de 2010). A review on hot stamping. Journal of Materials Processing Technology, 210, 2108-2118 

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