Su desarrollo de una fundición de acero austenítico aleado con cobre, conformable en frío y con propiedades TRIP/TWIP, marca un hito en la ciencia de materiales y abre completamente nuevas perspectivas para aplicaciones críticas en términos de seguridad. La nueva aleación ofrece una combinación sin precedentes de resistencia y ductilidad: es altamente resistente y, sin embargo, puede deformarse plásticamente.
El secreto del efecto TRIP/TWIP
El núcleo de esta innovación radica en el llamado efecto TRIP/TWIP, que otorga a la nueva fundición de acero sus propiedades extraordinarias. TRIP significa 'Plasticidad inducida por transformaciones' y TWIP significa 'Plasticidad inducida por gemelos'. Estos mecanismos provocan que la microestructura del material cambie bajo carga, lo que conduce a un aumento significativo de la resistencia y la ductilidad.
Efecto TRIP: Bajo carga mecánica, parte del austenito, una fase de estructura suave y dúctil, se transforma en martensita, es decir, en una fase dura y sólida. Esta transformación resulta en una solidificación local del material y aumenta su resistencia a las fisuras.
Efecto TWIP: Aquí, en el austenito se forman llamados gemelos de deformación, que también contribuyen a la solidificación y al aumento de la tenacidad del material.
Ambos efectos aumentan la resistencia a la tracción del material o su capacidad para absorber energía mecánica:
‘A través de la combinación de estos dos efectos, la resistencia del material se incrementa significativamente y el fallo del componente bajo carga dinámica se retrasa. Además, la capacidad de conformación y la capacidad de absorción de energía en caso de un impacto mejoran considerablemente’, explica Nadine Lehnert, quien ha asumido la dirección del proyecto en el Fraunhofer IWU en el proyecto de investigación financiado por la DFG 'Conformado en frío de fundición de acero'.
Y así es como funciona: La forma inicial de la aleación de fundición de acero considerada se transforma mediante la conformación en frío en un producto con una estructura de grano fino de austenito retransformado. La ruta de fabricación comienza con una estructura austenítica de grano grueso. La pieza de trabajo se reduce primero en un molde de prensado en cuanto al diámetro. Esta carga mecánica provoca, a través del efecto TRIP/TWIP, una microestructura parcialmente martensítica. El posterior tratamiento térmico en horno provoca una reducción del tamaño de grano (finura) en la pieza, gracias a la retransformación de martensita en austenito.
Bajo alta carga, puede ocurrir un inicio de fisura en la pieza, concretamente en la estructura de austenito, que sin embargo no conduce a la falla, sino que se detiene mediante una transformación martensítica de la estructura. A través de la nueva solidificación (martensita), la capacidad de carga del material incluso aumenta.
Áreas de aplicación con alto potencial de seguridad
Las propiedades únicas de la nueva fundición de acero lo predisponen para su uso en aplicaciones críticas en términos de seguridad, donde se exigen los más altos estándares de resistencia, tenacidad y fiabilidad.
- Construcción de automóviles: Tornillos, componentes de chasis, absorbentes de choque y estructuras de carrocería se benefician de la alta absorción de energía y la seguridad en caso de choque del material.
- Aeroespacial: Los componentes estructurales y los elementos de fijación pueden diseñarse más ligeros y resistentes gracias a la nueva fundición de acero.
- Tecnología médica: Los implantes y los instrumentos quirúrgicos pueden optimizarse gracias a la alta biocompatibilidad y resistencia del material.
Construcción e infraestructura: Los anclajes de montaña y los elementos de fijación para puentes y túneles pueden hacerse más seguros gracias a la alta resistencia a las fisuras del material. Porque la aleación muestra sus ventajas donde la durabilidad del material es crucial, incluso bajo cargas extremas.
Conformación en frío energéticamente eficiente como tecnología clave
Otra ventaja decisiva de la nueva fundición de acero es su idoneidad para la conformación en frío. Este proceso permite la fabricación de componentes a temperatura ambiente, lo que hace innecesarios procesos intensivos en energía como el laminado en caliente. 'La cadena de procesos de la conformación en frío es significativamente más corta y eficiente. Comenzamos con una pieza de trabajo previamente fundida, que luego se conforma directamente. Esto elimina numerosos pasos que consumen energía, como el calentamiento, laminado y desescoriado, que son necesarios en la conformación en caliente', explica Lehnert.
Sostenibilidad y rentabilidad en el foco
Además de las ventajas técnicas, el desarrollo de la nueva fundición de acero también contribuye a la sostenibilidad y la rentabilidad.
Conservación de recursos, aspectos de salud: La sustitución parcial de níquel por cobre reduce el uso de recursos costosos y escasos, así como los riesgos para la salud durante el procesamiento.
Ahorro de energía: La conformación en frío consume significativamente menos energía que la conformación en caliente, lo que lleva a una reducción de las emisiones de CO2.
Eficiencia de costos: La cadena de procesos simplificada, el menor uso de material y el menor consumo de gas (conformación en frío) reducen los costos de producción.
Una mirada al futuro
Los resultados de la investigación del equipo forman la base para un uso específico del efecto TRIP/TWIP en aplicaciones críticas en términos de seguridad. Las futuras investigaciones en el Fraunhofer IWU se centrarán en la optimización del proceso de conformación y el ajuste específico de las propiedades del material. 'Nuestro objetivo es aprovechar al máximo los potenciales del efecto TRIP/TWIP y permitir la fabricación económica de componentes de alto rendimiento para una variedad de aplicaciones', dice Lehnert.
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