Os produtores de aço desenvolvem soluções mais leves, mais fortes para enfrentar o desafio de veículo leve.
OEMs têm de encontrar um equilíbrio ao selecionar os materiais certos para seus veículos. Esses materiais precisam ser fortes o suficiente para proteger os passageiros em caso de uma colisão, e leve o suficiente para reduzir as emissões de dióxido de carbono e aumentar a eficiência de combustível.
A fim de atender a essas demandas, as montadoras estão avaliando alternativas leves para aço para uma ampla variedade de aplicações. Em 2014, a Ford ganhou as manchetes quando começou a produzir o seu F-150, líder de mercado com uma carroceria de alumínio. Em abril de 2015, a BMW anunciou que o chassi de seu 2016 7-Series contaria com o uso extensivo de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) para fortalecer peças-chave da estrutura, incluindo pilares B- e C e arcos de telhado. Apesar de ser mais caro do que o aço, é esperado que a utilização de ambos os materiais em aplicações de automóveis aumentem durante os próximos 10 anos ou mais.
Aço responde ao desafio
A indústria do aço não está levando estes desafios à sua supremacia, e está investindo significativamente na pesquisa e desenvolvimento de aços mais fortes de resistência avançada e ultra-alta (AHSS e UHSS), de modo que as montadoras podem fazer mais com menos material.
Philippe Aubron, Chefe de Marketing da Automotive Europa pelo fabricante de aço ArcelorMittal, diz: "Nós aumentamos o percentual de AHSS em nosso portfólio de produtos a partir de cerca de 10% seis ou sete anos atrás para cerca de 25-30% hoje, e esta percentagem aumentará significativamente no futuro."
AHSS é definido como um aço que demonstra uma resistência à tração final (UTS) de mais de 500MPa, enquanto UHSS é um aço que possui uma UTS superior a 980MPa. Estes materiais são utilizados principalmente na carroceria em branco-(BIW) de veículos para produzir componentes que devem absorver grandes quantidades de energia em caso de um acidente na lateral, lateral frontal e membros traseiros.
De acordo com Chris Wooffindin, Gerente de Marketing de Produto da Tata Steel: "O potencial de redução do peso da UHSS depende do aplicativo do componente e a força do grau UHSS. Assumindo que a substituição de aço de alta resistência com liga de micro convencional com um nível de força de 340MPa - e por um componente exigindo resistência à flexão - graus UHSS poderiam reduzir o peso de uma parte de 30-50%, obtido através da redução do calibre do componente."
"Usar aço é de longe a forma mais barata para economizar peso em um carro. Quando você alternar para alumínio ou CFRP você gasta muito mais... " – Philippe Aubron, ArcelorMittal
Além disso, o fato de menos material ser usado para compensar o custo mais elevado de UHSS; um componente UHSS leve pode ser produzido por um custo de unidade semelhante a uma feita a partir de aço convencional.
Aubron continua: "Utilizar o aço é de longe a forma mais barata para economizar peso em um carro. Quando você alterna para alumínio ou CFRP você gasta muito mais, pelo menos 3-4 vezes mais para o alumínio e significativamente mais para CFRP. [OEMs e os seus fornecedores] já tem as máquinas de estampagem e máquinas de solda; tudo está no lugar para que eles não precisam fazer grandes investimentos para usar UHSS."
Forma e função
É claro, os componentes significativamente mais leves podem ser feitos a partir de alumínio e CFRP que é atualmente possível usando UHSS. Além disso, o uso de UHSS faz apresentar uma série de desafios para OEMs e os seus fornecedores, apesar de sua familiaridade com os aços convencionais.
O principal entre estes desafios permanece sendo maleabilidade. Por exemplo, aços martensíticos são - como o nome sugere - principalmente martensíticos com algumas pequenas quantidades de ferrite e bainite. Introduzido em 2014, o aço martensítico Docol 1700 M da SSAB, demonstra uma resistência à tração de 1,700MPa e possui características de absorção de alta energia. É particularmente adequado para a produção de pára-choques de aço leve. No entanto, este aço é difícil de formar usando qualquer processo, exceto rolo de formação.
Wooffindin diz: "O desafio ao utilizar qualquer material com alta força reside em atingir a forma final requerida, sem a ruptura de material ou demonstrando elevados níveis de distorção causados pela mola de retorno".
Depois de um metal laminado o plano é trabalhado a frio e, conforme a força de formação é libertada, o metal tende a reverter para a sua forma original devido às suas propriedades elásticas naturais. Esta mola de retorno é influenciada por vários fatores, incluindo a resistência à tração, resistência à deformação após a formação e espessura.
Estampagem a quente
Uma maneira de produzir componentes com geometrias relativamente complexas e limitar o problema da mola de retorno é usar estampagem a quente. Usando o processo - primeiro empregado na indústria automotiva por SAAB em 1984 - um espaço em branco é aquecido em um forno à temperatura de austenitização de cerca de 900°C, formado em uma matriz internamente arrefecida, e extingui-se sob pressão a uma velocidade mínima de arrefecimento de 27° C por segundo. Esta taxa mínima de arrefecimento assegura a formação de uma microestrutura martensítica em parte, o que lhe confere uma resistência elevada.
"O desafio ao utilizar qualquer material com alta força reside em atingir a forma final requerida, sem a ruptura de material ou demonstrando elevados níveis de distorção causada pela mola de retorno" – Chris Wooffindin, Tata Steel
Aços de boro foram desenvolvidos especificamente para corresponder a este processo, como Usibor 1500 e Tata de HQ1500 da ArcelorMittal, sendo que ambos demonstram uma resistência à tração de cerca de 1.500MPa depois da estampagem a quente. Os componentes resultantes possuem alta precisão em termos da sua forma final.
Todo o processo, desde o aquecimento da placa no forno de estampagem no molde leva de 5 a 10 minutos, mas a evolução da tecnologia de fornalha permitiu uma taxa de produção de uma parte a cada 20 segundos ou menos.
O uso de estampagem a quente está aumentando na indústria automotiva; 40% do BIW de XC90 da Volvo é produzido usando o processo. No entanto, a energia necessária para aquecer o molde torna moldagem a quente mais cara do que os processos de formação a frio.
Simulação de Mola de retorno
Os produtores de aço desenvolveram simulações assistidas por computador que permitem aos seus clientes antecipar a quantidade de mola de retorno que um dado componente exibirá, o que lhes permite adaptar o seu processo de formação a frio, a fim de limitar este problema.
Além disso, vários graus de terceira geração AHSS e UHSS estão se aproximando de comercialização que será mais fácil para formar usando processos de temperatura ambiente.
Anunciado em 2014, gama Fortiform da ArcelorMittal dúctil AHSS foi desenvolvida especificamente para estampagem a frio, e poderia reduzir o peso dos componentes produzidos atualmente usando (DP), aços de fase dual em até 20%. Projetado para substituir esses graus DP, Fortiform foi desenvolvido por equipes de investigação e desenvolvimento da ArcelorMittal na França e nos EUA.
A gama Fortiform atualmente é composta por três tipos de aço. Fortiform 1050 é o primeiro produto nesta gama a estar disponível no mercado. Como resultado da sua elevada resistência à tração, Fortiform 1050 aço é particularmente adequado para a produção de peças que devem absorver a energia no caso de impactos. O aço foi caracterizado por testes de compressão dinâmicos axiais usando uma estrutura omega com uma placa de fecho soldada local em uma velocidade de impacto de 56km.h -1, testes que demonstraram seu comportamento em bom impacto. Os primeiros veículos de série a usar este aço sairão da linhas de produção em 2017.
Dois outros graus, Fortiform 980 e Fortiform 1180, serão lançadas em 2017. As amostras estavam disponíveis para os fabricantes para testes em 2014, com a produção industrial definida para iniciar em 2015. Outros produtos seguirão em várias regiões.
A empresa alega que os OEMs não precisará fazer mudanças significativas para suas linhas de produção, a fim de acomodar estas novas classes. Algumas pequenas modificações para detectar parâmetros serão necessárias para soldagem - dado o aumento do equivalente de carbono que é necessário aumentar para a força de soldagem e adaptando os ciclos de soldagem - mas como menos aço serão necessários para produzir uma determinada parte do que era necessário usar em graus DP, os custos adicionais de implementação desses graus nas linhas de produção poderia ser quase zero.
Vehicles components must adsorb large amounts of energy in the event of a crashGraus para conformação a frio
Enquanto isso NanoSteel, uma família de ligas ferrosas nanoestruturadas feitas por uma empresa norte-americana de mesmo nome, demonstram alongamentos de mais de 20% à temperatura ambiente, que apresentam oportunidades para a formação a frio que não são possíveis usando AHSS atual e graus UHSS.
Em aço convencional, os grãos e matriz que compõem a estrutura do material são colocadas em microns. Ligas de NanoSteel são nanoestruturadas, o que significa que elas apresentam grãos e matriz com dimensões inferiores a 100 nm. Estas microestruturas em nanoescala conferem propriedades mecânicas e físicas singulares.
As ligas NanoSteel exploraram dois novos mecanismos que permitem a criação de nanoestruturas em ambientes de produção de alta temperatura e entregam propriedades únicas após deformação. O primeiro mecanismo é chamado Refinamento Nanophase. Enquanto a maioria dos nanomateriais passam por crescimento de grãos quando expostos a altas temperaturas, mecanismo de Refinamento Nanophase da empresa refina estes grãos, mantendo estas propriedades favoráveis. O segundo mecanismo é Fortalecimento Nanophase dinâmico, que ocorre após escoamento e fornece elevada encruamento e ductilidade utilizável quando o material é formado em peças automotivas.
NanoSteel está trabalhando para fornecer amostras destas ligas para teste por montadoras como a General Motors, que investiu na empresa através de uma subsidiária.
Juntando desafios
Unindo componentes AHSS e UHSS também pode ser um desafio. Wooffindin diz: "graus UHSS podem caracterizar metalurgias relativamente ricas que são necessárias para alcançar as propriedades desejadas, e estas siderúrgicas podem exigir atenção especial quando ligadas, especialmente em comparação com tipos de aço convencionais."
Solda de ponto continua a ser uma opção viável ao usar esses materiais. Ainda, soldadura Usibor, por exemplo, requer uma certa adaptação para o processo, de acordo com a máquina produtora de soldadura AWL-Techniek.
Usibor é revestido com um material de alumínio-silício (AlSi) que garante que o aço não oxide durante a moldagem a quente e confere boa resistência à corrosão para o componente final. No entanto, o alumínio no revestimento pode influenciar o processo de soldagem. Como tal, uma atenção especial deve ser dada para o posicionamento preciso dos eletrodos durante a solda de ponto e uma densidade de corrente inferior deve ser empregada.
ArcelorMittal desenvolveu tecnologia de ablação por laser para ajudar a evitar este problema. A ablação por laser pode vaporizar o revestimento AlSi a partir da superfície de Usibor onde é para ser unida .Isto permite que o aço seja soldado a laser.
Na verdade, a empresa fornece brancos soldados a laser sob medida, que podem compreender vários tipos diferentes de aço, para formar por OEMs e seus fornecedores. O uso desses soldáveis em branco garantem que o material seja utilizado para a direita no lugar certo no componente, e ajuda a minimizar o número de operações de união subsequentes necessárias.
Soldagem de componentes UHSS e alumínio é incrivelmente difícil, mas uma miríade de métodos de união estão atualmente disponíveis para as montadoras. A união adesiva poderia ser uma alternativa prática, e pode ser utilizada para aumentar a absorção de energia de uma estrutura em caso de um acidente. Ligação mecânica também está crescendo em popularidade, especialmente com OEMs que produzem veículos com uso intensivo de alumínio.
Adrian Ellis, gerente de vendas da especialista em fixação mecânica Profil, diz: "Adesivos além de métodos de união mecânicos, tais como manchas de auto-furo rebites, ou de solda a laser, oferecendo oportunidades para ligar painel e painel. Os desafios serão mais difíceis conforme medidores de materiais se tornam mais finos e as formas de painel de chapa metálica se tornam mais complexas."
Como materiais leves, UHSS e AHSS representam um bom valor e seu uso por OEMs aumentará substancialmente nos próximos 5 a 10 anos. No entanto, como estipulam os regulamentos de eficiência de combustível e as emissões de dióxido de carbono tornar-se cada vez mais exigentes, o alto preço associado à utilização dos concorrentes de aço - alumínio e CFRP - poderia tornar-se menores obstáculos para OEMs. A indústria do aço vai continuar a inovar, a fim de manter a sua vantagem competitiva.
