Acero hecho en México

En el fortalecimiento de la cadena de valor de la industria automotriz en México, la materia prima juega un papel importante. Tal es el caso del acero que, por el hecho de ser producido en territorio mexicano, acelera las metas de eficiencia de un sector que requiere competir globalmente. Este artí­culo, compartido por dos expertos de la firma Ternium, explica los procesos de fabricación que se cumplen amén de enfrentar de manera local los retos técnicos de este “metal precioso” para la producción de autopartes.

Dentro del segmento automotriz, México produce 3.2 millones de automotores anualmente. Hoy, es el séptimo paí­s productor de vehí­culos del mundo, genera 530 mil empleos directos e indirectos y representa el 3.5% del PIB.

En años recientes, el paí­s ha evolucionado de su enfoque inicial de maquila para convertirse en una potencia en la industria automotriz global, creando nuevas oportunidades para que proveedores nacionales e internacionales de componentes y servicios contribuyan al rápido desarrollo de este sector.

Se espera que, para 2020, la industria automotriz mexicana produzca cerca de 5 millones de vehí­culos ligeros de 13 marcas diferentes, en más de 30 plantas de manufactura. Estas cifras muestran de manera firme el enorme mercado potencial que tienen los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS, por sus siglas en inglés), pues se estima que el 40% del peso de la estructura, en los modelos a fabricarse al inicio de la siguiente década, será de acero de este tipo.

Es importante, en el entorno de competencia global que enfrenta la industria, que se entreguen aceros especializados de alta troquelabilidad para mercados de lí­nea blanca y automotriz, así­ como aceros troquelables de alta resistencia, aceros de alta resistencia y baja aleación, aceros para el proceso de formado en caliente y aceros avanzados de alta resistencia para la industria automotriz que excedan la necesidad de calidad que el paí­s tiene.

Causa y efecto

Cabe destacar que un detonante para la ampliación del uso de aceros AHSS dentro de la industria automotriz ha sido las regulaciones gubernamentales para la disminución en el consumo de combustible para autos a nivel mundial.

Como se presenta en la Figura 1, los principales requerimientos muestran un incremento importante en la cantidad de millas requeridas por galón de combustible utilizado. Principalmente, se observa que Estados Unidos requiere de un desempeño de cerca de 50 millas por galón (MPG) para 2025. Asimismo, hay una fuerte iniciativa para reducir la emisión de gases invernadero por utilización de vehí­culos automotores. La Figura 1b presenta el alcance de las regulaciones hacia 2025.

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Figura 1 y 1b. Regulaciones gubernamentales para el consumo de combustible y emisión de gases invernadero (modificado de http://www.theicct.org/info-tools/global-passenger-vehicle-standards).

Una de las respuestas de las compañí­as automotrices se enfocó en la reducción de peso de los componentes estructurales, por lo que las plataformas automotrices han venido incrementando consistentemente el uso de aceros avanzados de alta resistencia. En los componentes de seguridad de la sección conocida como Body-in-White, se ha observado una importante implementación de grados de aceros que inician con una resistencia mecánica desde 590 MPa, incluyendo las siguientes familias: aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA, por sus siglas en inglés), Dual Phase (DP) y de Plasticidad inducida por Precipitación (TRIP). Un ejemplo de este concepto se observa en la estructura del modelo Accord, de la marca Honda, desarrollado en 2013 (Figura 2).

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Figura 2 . Distribución de aceros en la carroceria automotriz (Butcher C., Dykerman J., GDIS 2017).

Dentro de la familia de aceros AHSS, los aceros de Dual Phase han alcanzado una madurez tecnológica para la producción industrial que permite explotar sus principales caracterí­sticas de desempeño como lo son la alta resistencia mecánica y una notable absorción de energí­a. Lo anterior lo hace apto para su uso en las zonas de impacto de la caja de seguridad.

La caracterí­stica principal de los aceros DP es que constan de una combinación microestructural muy particular, que incluye una matriz de ferrita e islas dispersas de martensita, como se observa esquemáticamente en la Figura 3a.

La fase ferrí­tica, la cual se presenta generalmente de una forma continua, propicia el componente de ductilidad del acero, mientras que el incremento en la resistencia mecánica se obtiene a través de la presencia de las islas de martensita. La distribución de estos micro constituyentes se obtiene mediante un proceso de enfriamiento controlado desde la temperatura de austenización. Una microestructura tí­pica de los aceros DP se puede observar en la Figura 3b.

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Figura 3 a. Diagrama esquemático de la distribución de constituyentes en un tipo de acero DP. 3b. Arreglo de constituyentes observado mediante microscopí­a electrónica de barrido (S. Keeler, M. Kimchi, P.J. Mooney, Advanced High-Strength Steels Application Guidelines V6.0)

La transformación de fase, durante el enfriamiento del acero, se sigue mediante las curvas de transformación a enfriamiento continuo (CCT, por sus siglas en inglés) y de trasformación isotérmica (TTT), como se observa en la Figura 4. La posición de las curvas de inicio de transformación determinan el ciclo de enfriamiento que debe seguir una determinada composición del acero para obtener la distribución de micro constituyentes que cumplan con los requerimientos mecánicos solicitados. Los aceros DP buscan propiciar el inicio de transformación de ferrita evitando la formación de perlita o bainita.

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Figura 4 Curvas de transformación a) enfriamiento continuo, b) transformación isotérmica para un acero DP tí­pico (JMat Pro)

En México, la firma Ternium lleva a cabo procesos para la obtención de estos aceros los cuales se dan mediante la laminación en caliente (Figura 5) o el ciclo de recocido continuo del proceso de galvanizado (Figura 7). Particularmente, el proceso de laminación en caliente convencional comprende el recalentamiento del planchones de acero a temperaturas en el intervalo de 1200°C.

Una vez homogeneizada la temperatura, el planchón es deformado en un molino reversible, entre 75 y 85%, pasando después a un sistema de homogenización de temperatura (Coil Box), el cual alimenta la barra de transferencia a un molino acabador de seis stands, donde se obtiene el espesor final de la lámina de acero. En la mesa de enfriamiento se controlan las secuencias que permitirán obtener el arreglo de constituyentes final. Por último, la lámina es enrollada para permitir el enfriamiento a temperatura ambiente.

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Figura 5 . Esquema del proceso de laminación en caliente convencional.

El control de temperaturas es crí­tico durante el proceso de enfriamiento. La Figura 6 ilustra el ciclo que por diseño debe cumplir un acero DP. Al salir del castillo 6 del molino acabador, se tiene la microestructura austení­tica, de la cual se inicia la transformación.

En la primera zona de enfriamiento se establece el intervalo de temperaturas en las que se buscara definir el contenido de ferrita durante el enfriamiento en aire; posteriormente, es durante el segundo enfriamiento intensivo donde se favorece la formación de martensita. En este enfriamiento, es crí­tica la velocidad de enfriamiento ya que se debe evitar cruzar las zonas de formación de micro constituyentes más suaves como lo son perlita y bainita.

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Figura 6 . Esquema del proceso de enfriamiento para la obtención de aceros DP.

El procesamiento de aceros DP, mediante recocido continuo en la lí­nea de galvanizado, sigue un tratamiento diferente, en relación al control de temperaturas durante el ciclo de calentamiento y para el control durante el enfriamiento.

La Figura 7 muestra el diseño de una lí­nea de galvanizado, la cual es alimentada de lámina de acero procesado por deformación en frí­o. Posteriormente, la lámina pasa por una sección de limpieza donde se remueve el aceite protectivo y sigue el flujo a la sección de recocido. Después del tratamiento térmico, la lámina es enfriada y transferida a la sección del baño de zinc lí­quido, donde la lámina es recubierta para posteriormente ser enfriada a temperatura ambiente y enrollada para distribución.

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Figura 7 . Esquema de proceso de recocido continúo acoplado a una lí­nea de galvanizado por inmersión en caliente.

El ciclo térmico, a diferencia del procesamiento en caliente, considera la utilización de una temperatura intercrí­tica para dar inicio controlado del nivel de transformación austení­tica. Así­, se busca garantizar el contenido de austenita necesario para que durante el enfriamiento acelerado se promueva la transformación a martensita, justo antes de entrar en la sección de galvanizado por inmersión en caliente. Después, mediante un enfriamiento acelerado, es posible terminar la transformación de micro constituyentes.

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Figura 8. Esquema del ciclo térmico durante el proceso de recocido continuo y posterior enfriamiento para obtener un acero DP.

En esta ruta también se busca establecer la base para nuevos productos que se alineen a los objetivos de resistencia, seguridad, desarrollo sustentable y que puedan integrarse a procesos operativos y de manufactura, con el margen de costo que permita su implementación competitiva en la industria.

Para lograr el óptimo desarrollo de aceros avanzados se requiere de tareas técnicas tales como la observación, evaluación técnica, experimentación, inversiones requeridas, pruebas de campo, junto con sus clientes automotrices trazadores, para obtener productos que satisfagan las demandas actuales del mercado.