Diseño de materiales de acero innovadoresorientado a la aplicación

Para muchas aplicaciones, la selección clásica de materiales basada en los parámetros principales no es suficiente. Y es que, incluso con parámetros similares, como la misma resistencia de tracción, los materiales de acero difieren considerablemente en los detalles, en especial, en lo que respecta a los procesos de tratamiento. Esto es especialmente cierto en el ámbito de los aceros de alta resistencia; los materiales con la misma resistencia de tracción a la rotura pueden tener propiedades muy diferentes en cuanto a capacidad de unión por soldadura, plegabilidad o isotropía. Todo el potencial inherente puede aprovecharse con la ayuda de un diseño orientado a la aplicación de materiales modernos. Esto es posible gracias a la implicación que Waelzholz ha tenido desde el principio como proveedor de materiales en el desarrollo de productos. Resultado: materiales personalizados tanto para la aplicación final como para los procesos de fabricación del cliente.

El tiempo y los grados de libertad son criterios centrales en el desarrollo de productos hoy en día. «Los ciclos de vida cortos de los productos aumentan la presión en todas las fases de la cadena de valor, desde la fabricación del acero hasta la producción del fleje de acero y el producto final acabado», explica el Dr. Michael Hellmann del Departamento de Tecnología de Materiales de Waelzholz. En este contexto, existe una creciente demanda de materiales que ofrezcan un rendimiento adaptado tanto a la aplicación final como a los procesos de fabricación dentro de las distintas etapas de la cadena de valor. Esto requiere una estrecha colaboración entre el fabricante y el proveedor del material en una etapa muy temprana de la creación del producto.

Más que parámetros clásicos

A la hora de seleccionar los materiales, se suele prestar atención a los parámetros clásicos, como la fuerza de resorte, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión, la posibilidad de magnetización o una relación de peso favorable. El Dr. Hellmann explica por qué esto no es suficiente en algunos proyectos: «Los parámetros clásicos solo son la punta del iceberg. Se trata de factores que en seguida se consideran relevantes. Sin embargo, estas características principales pueden ocultar otros requisitos, algunos de los cuales adquieren importancia directamente durante la fase de desarrollo, pero a veces también indirectamente, una vez que ha comenzado la producción en serie». Para identificar también estos últimos factores con precisión y diseñar el material adecuado, Waelzholz ha desarrollado un proceso de tres fases:

1. Encargo de desarrollo
2. Comportamiento de procesamiento
3. Comprobación en serie

1. Encargo de desarrollo: la participación temprana garantiza grados de libertad

Un encargo de desarrollo suele partir de unos parámetros clásicos que son necesarios para una aplicación. En el diagrama de la figura 1, que muestra el alargamiento en función de la resistencia de tracción a la rotura, podemos ver que estos valores solo representan una pequeña parte de las múltiples posibilidades que ofrecen los materiales adecuados. Dr. Hellmann: «El diagrama muestra nuestra gama de materiales para los parámetros de límite elástico y resistencia de tracción en el rango de 150-1.700 MPa con un alargamiento del 10-60 %. En total, Waelzholz ofrece 280 variantes del material». Sin embargo, lo que nos interesa especialmente aquí son los solapamientos en las propiedades. Estos muestran que algunas variantes de material son adecuadas para rangos idénticos de límite elástico y resistencia de tracción. Esto significa que hay que encontrar otros criterios de distinción. «Tenemos un enorme potencial para cubrir realmente bien todo el perfil de necesidades incluyendo otros factores en la elección del material», afirma el Dr. Hellmann. Cuanto antes participe el proveedor de materiales en el proceso de desarrollo, mayor grado de libertad se podrá obtener mediante este enfoque holístico.

2. Comportamiento de procesamiento previsto y reproducibilidad

Ejemplo de fleje de acero para muelles: en la fabricación de muelles, el fleje de acero suele moldearse en varias etapas mediante complejos procesos de punzonado y flexión. Dr. Hellmann: «Debido a la complicada disposición de las herramientas, no se puede acceder a una tecnología de proceso que permita responder a los cambios que se produzcan en las propiedades del material. En consecuencia, es importante poder planificar el comportamiento del procesamiento y garantizar la reproducibilidad». Para ello, Waelzholz realiza pruebas que se acercan mucho al procesamiento final para comprobar diversos conceptos de material y diseño. «Para el fleje de acero para muelles, entre otras cosas, ha sido muy útil una prueba de flexión que determinaba el comportamiento de retorno elástico (ver figura 2). Llevamos a cabo esta prueba de materiales en diferentes lotes de producción y examinamos muestras aleatorias por toda la longitud del núcleo de la bobina», informó el técnico de materiales. La figura 3 muestra el comportamiento de retorno elástico de dos materiales: ambos presentan una dispersión muy estrecha en las muestras. Esto garantiza un comportamiento de procesamiento planificado con alta reproducibilidad.

3. Optimización de las combinaciones de propiedades en la producción en serie

El tercer paso se centra en la evaluación de la uniformidad en la producción en serie. Dr. Hellmann: «Integrada en la producción en serie, controlamos la uniformidad de la tolerancia en la longitud y en la anchura de cada bobina. Nuestros equipos de medición de alta sensibilidad indican incluso si un parámetro tiende a acercarse a un límite de tolerancia, aunque todavía esté muy lejos de él. Esto nos permite intervenir en una fase muy temprana para afinar el proceso». Junto con numerosos análisis de parámetros mecánicos y pruebas estadísticas a lo largo de toda la bobina, se garantiza la calidad de la serie y se identifica muy pronto el potencial de mejora. «Una ventaja considerable para nosotros, tanto en la fase de desarrollo como en la de producción en serie, es nuestra completa tecnología de control. En nuestros laboratorios disponemos de todos los métodos de prueba importantes, desde el macroanálisis hasta el microanálisis con un microscopio electrónico de barrido».

Gran desarrollo gracias a la colaboración

«En los últimos diez años, Waelzholz ha triplicado prácticamente la cantidad de materiales de desarrollo personalizado. Más del 85 % de ellos se deben a la colaboración directa con nuestros clientes», afirma el Dr. Hellmann. Gracias a unas asociaciones de desarrollo muy interconectadas, se consiguen soluciones de materiales que cubren los requisitos de todos los clientes, desde el proceso hasta la aplicación. De este modo, se crea un verdadero valor añadido. Dr. Hellmann: «Nuestros clientes desarrollan productos revolucionarios y nos entusiasman con sus ideas. Nosotros los ayudamos a llevarlas a la práctica con nuestros conocimientos. Y, gracias a las sedes que tenemos en cuatro continentes, nuestra competencia en materiales está disponible en cualquier parte del mundo, allí donde lo necesiten nuestros clientes: in situ.»