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TALADRADO POR FRICCIÓN EN ACEROS DE DOBLE FASE DE ALTA RESISTENCIA Deividi Nardi, Luis Norberto López de Lacalle, Asier Fernández Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea 2011

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TALADRADO POR FRICCIÓN EN ACEROS DE DOBLE FASE DE ALTA RESISTENCIA

Deividi Nardi, Luis Norberto López de Lacalle, Asier Fernández

Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea

2011

usuario
Tachado
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Planteamiento y resumen del Proyecto

En este trabajo se expone un estudio experimental del proceso de taladrado

por fricción en chapas de aceros avanzados de alta resistencia. Se realiza una

evaluación de las condiciones óptimas de mecanizado en función del material,

recubrimiento y el espesor empleado, variando las velocidades de giro y los

avances de herramienta, relacionando dichos parámetros del proceso con las

alteraciones microestructurales del material base así como las propiedades

mecánicas del agujero generado por el proceso. Al mismo tiempo se monitoriza

el momento y la fuerza resultante, analizando además el diámetro del agujero y

el espesor de la copa generada en distintas profundidades, es decir, las

tolerancias dimensionales generadas por el proceso. Otro punto de interés es

la medición de la temperatura alcanzada durante el proceso como

consecuencia de la fricción, ya que la cantidad de calor absorbido por la pieza

puede influir en las transformaciones microestructurales que el material

experimenta. Esta afectación térmica puede transformar las propiedades

mecánicas del material en las cercanías del agujero y en la copa. El estudio fue

desarrollado a través de ensayos experimentales empleando herramienta de

taladrado por fricción en chapas de acero con recubrimiento y sin

recubrimiento, ambas con microestructura doble fase. El proceso se genera a

través del empleo de la herramienta rotativa que presionada contra el material

provoca calor por rozamiento y produce la deformación, causando el

ablandecimiento del material y su fluencia durante la penetración. Las copas

obtenidas sufren por un proceso posteriormente el roscado por laminación. Se

ha verificado como resultado del estudio, que existe una relación intrínseca

termomecánica entre el proceso de taladrado por fricción con las propiedades

mecánicas y las propiedades microestructurales resultantes.

Palabras clave: Taladrado por fricción, aceros avanzados de alta resistencia, aceros doble fase.

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Índice general

1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1

2. ESTADO DEL ARTE.................................................................................... 4

2.1. Taladrado por fricción ............................................................................ 4

2.1.1 Caracteristicas del proceso de taladrado por fricción .................. 7

2.1.2 Cinematica del proceso ............................................................... 8

2.1.3 Temperaturas del proceso ......................................................... 10

2.1.4 Tiempos del proceso ................................................................. 11

2.1.5 Calidad del proceso ................................................................... 11

2.1.6 Roscado por laminación ............................................................ 12

2.1.7 Transformaciones microestructurales........................................ 14

2.2. Aceros avanzados de alta resistencia AHSS ...................................... 15

2.2.1 Aceros doble fase ...................................................................... 19

2.2.2 Aceros martensiticos estampados en caliente .......................... 21

2.2.3 Microestructura de los aceros doble fase .................................. 24

2.3. Mecanismo de endurecimiento y ablandamiento en aceros ................ 26

2.4. Recubrimientos en los aceros AHSS .................................................. 30

2.4.1 Formación de fases en los recubrimientos ................................ 32

2.4.2 Deformaciones y mecanismos de fractura en aceros con Zinc . 37

3. OBJETIVOS ............................................................................................... 39

4. PROCEMIENTO EXPERIMENTAL............................................................ 40

4.1. Metodologia ......................................................................................... 41

4.2. Parámetros de taladrado ..................................................................... 42

4.3. Materiales empleados en los ensayos ................................................ 42

4.4. Herramientas y lubricantes .................................................................. 43

4.5. Maquina herramienta y utillajes ........................................................... 44

4.6. Utillaje para taladrado con atmosfera inerte ........................................ 45

4.7. Medición de las fuerzas de avance y momento................................... 47

4.8. Geometria y calidad del taladrado ....................................................... 48

4.9. Medición de las temperaturas ............................................................. 49

4.10. Medición de las microdurezas ............................................................. 50

4.11. Análisis metalográfico ......................................................................... 50

5. RESULTADOS EXPERIMENTALES ......................................................... 52

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5.1. Fuerzas de avance y momento ........................................................... 52

5.2. Geometria y calidad del taladrado ....................................................... 56

5.2.1 Geometria y calidad en los aceros sin recubrimientos .............. 57

5.2.2 Geometria y calidad en los aceros con recubrimientos ............. 59

5.3 Temperaturas del proceso .................................................................. 65

5.3.1 Temperaturas del proceso en los aceros sin recubrimientos .... 65

5.3.2 Temperaturas del proceso en los aceros con recubrimientos ... 66

5.4 Análisis metalográfico ........................................................................ 69

5.2.1 Influencias de los parámetros de taladrado en microestructura 70

5.2.1 Influencias de los recubrimientos en microestructura ................ 75

5.5 Microdurezas...................................................................................... 79

5.6 Roscado por laminación ..................................................................... 81

5.7 Tiempos del proceso .......................................................................... 83

6. CONCLUSIONES Y LINEAS DE FUTURO DESARROLLO ...................... 85

6.1. Conclusiones de los resultados .......................................................... 85

6.2. Líneas de futuro desarrollo .................................................................. 88

7. REFERENCIAS ......................................................................................... 90

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Índice de figuras

1. Herramienta de taladrado por fricción ............................................................ 1

2. Etapas del proceso de taladrado por fricción y roscado por deformación. ..... 5

3. Clips de fijación y tuercas para soldar. .......................................................... 5

4. Columna de dirección y fijación de sonda lambda. ....................................... 6

5. Sistemas de suspensión de vehículos. ......................................................... 6

6. Sillas y mesas ................................................................................................ 6

7. Geometría de la herramienta de taladrado por fricción ................................. 7

8. Geometría de distintas herramientas de taladrado por fricción. .................... 8

9. Evolución del momento y esfuerzo en el proceso de taladrado por fricción. . 9

10. Zonas afectadas térmicamente durante el proceso .............................. 10

11. Medidas principales del agujero ............................................................ 12

12. Roscado por laminación en el taladrado por fricción ............................. 13

13. Deformación generada en los filos del roscado por laminación ............. 13

14. Las zonas afectadas térmicamente en la copa del agujero ................... 14

15. Materiales en carrocerías de automóviles ............................................. 16

16. Limite elástico de los aceros HSS y AHSS ............................................ 18

17. Evolución de los aceros de alta resistencia ........................................... 19

18. Límite elástico de los aceros tipo doble fase ......................................... 20

19. Aplicación del acero tipo DP en carrocerías .......................................... 21

20. Límite elástico de los aceros tipo doble fase MS ................................... 22

21. Etapas del proceso de estampación en caliente ................................... 22

22. Velocidades de enfriamiento y la transformación martensítica .............. 23

23. Tailored Blanks con AHSS .................................................................... 24

24. Diagrama de fases acero ....................................................................... 25

25. Efecto del enfriamiento en la transformación austenítica ...................... 25

26. Modificación del diagrama s-e por deformación en frío ......................... 27

27. Diagrama de recocido y recristalización ................................................ 28

28. Comportamiento a fluencia del Fe-γ bajo deformación a elevada

temperatura ........................................................................................... 29

29. Recubrimiento Aluminio-Silicio en AHSS ............................................... 31

30. Diagrama de fase Fe-Zn ........................................................................ 33

31. Fenómeno de Outburst en el recubrimiento de Zinc .............................. 36

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32. Influencia de la temperatura en la formación de la fase Γ ..................... 36

33. Diseño de la herramienta de taladrado por fricción y sus dimensiones. 43

34. Herramienta de taladrado en el portaherramientas ............................... 44

35. Esquema del ensayo de taladrado en la máquina herramienta ............. 45

36. a) Configuración de la boquilla de gas lateral. b) Configuración de la

boquilla de gas coaxial. c) Configuración de la boquilla de gas central

inferior .................................................................................................... 46

37. Esquema del ensayo del taladrado en atmosfera inerte ........................ 47

38. Equipamiento necesario para la monitorización de la fuerza de avance y

del momento .......................................................................................... 48

39. Sección transversal de la copa generada y las mediciones realizadas . 49

40. Equipamiento para la medición de temperaturas .................................. 49

41. Puntos de medida de la microdureza .................................................... 50

42. Fuerza de avance del acero DP600 ...................................................... 53

43. Momento en el acero DP600 ................................................................. 54

44. Fuerza de avance del acero DP800 ...................................................... 54

45. Momento en el acero DP800 ................................................................. 55

46. Fuerza de avance del acero Usibor© 1500 ............................................ 55

47. Momento en el acero Usibor© 1500 ....................................................... 56

48. Influencia de los parámetros de taladrado en el espesor de la copa ..... 57

49. Longitud total de la copa (Pt) del acero DP600 con 1.2mm de espesor y

del acero DP800 con 1.6mm de espesor . ............................................. 58

50. Influencia de los parámetros de taladrado en el diámetro del agujero... 59

51. Longitud total de la copa (Pt) del acero Usibor© 1500 con 2.0mm de

espesor .................................................................................................. 60

52. Vista frontal y en corte de la copa genera en el acero Usibor© 1500 ..... 61

53. Comparación entre las copas generadas en el taladrado por fricción. .. 61

54. Formación de pétalas y agrietamiento de la copa del acero DP600 GA

por el proceso de taladrado por fricción sin atmosfera inerte ................ 62

55. Comparación entre copas en el acero DP600 GA formadas por distintas

boquillas de gas. .................................................................................... 63

56. Vistas de las copas generadas con distintos parámetros de taladrado en

el acero DP600 GA bajo atmosfera inerte ............................................. 64

57. Influencia de los parámetros de taladrado en la temperatura del proceso

en acero DP600 ..................................................................................... 65

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58. Influencia de los parámetros de taladrado en la temperatura del proceso

en acero DP800 ..................................................................................... 66

59. Influencia de los parámetros de taladrado en la temperatura del proceso

en acero Usibor© 1500 ........................................................................... 67

60. Influencia de los parámetros de taladrado y espesor de material en la

temperatura del proceso ........................................................................ 67

61. Comportamiento de la temperatura del proceso en relación al tiempo de

taladrado en acero DP600 GA ............................................................... 68

62. Influencia del caudal de gas en las temperaturas en el acero DP600 GA

con atmósfera inerte .............................................................................. 68

63. Las zonas afectadas térmicamente en la copa del agujero ................... 69

64. Detalle de las zonas térmicamente afectadas en la copa ...................... 70

65. Microestructuras en el acero DP800 ..................................................... 71

66. Microestructuras en el acero DP600 ...................................................... 72

67. Observación obtenida mediante microscopia electrónica de barrido

(SEM) de la copa en el acero DP600 sin recubrimiento ........................ 72

68. EDX en la copa del acero DP600 sin recubrimiento .............................. 73

69. Microestructuras en el acero Usibor©1500 ............................................ 74

70. Observación obtenida mediante microscopia electrónica de barrido

(SEM), agrietamiento del recubrimiento Al-Si en la copa del acero

Usibor© 1500 .......................................................................................... 74

71. Observación obtenida mediante microscopia electrónica de barrido

(SEM), detalles de las grietas del recubrimiento Al-Si en la copa del

acero Usibor©1500 ................................................................................. 75

72. EDX en la copa del acero Usibor©1500 ................................................. 75

73. Observaciones obtenidas mediante microscopia electrónica de barrido

(SEM), agrietamiento de la copa en el acero DP600 GA ....................... 76

74. EDX en la copa del acero DP600 GA sin atmosfera inerte .................... 76

75. EDX en la copa del acero DP600 GA sin atmosfera inerte .................... 77

76. Observaciones obtenidas mediante microscopia electrónica de barrido

(SEM) con detalles de las grietas en el recubrimiento del acero DP600

GA ........................................................................................................ .77

77. Observación obtenida mediante microscopia electrónica de barrido

(SEM), sin grietas o fallos en el recubrimiento en la copa del acero

DP600 GA ............................................................................................. 78

78. EDX en la copa del acero DP600 GA con atmosfera inerte .................. 78

79. Valores de microdurezas en el acero DP600 ........................................ 79

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80. Valores de microdurezas en distintos caudales de gas argón aplicados

en el acero DP600 GA. .......................................................................... 80

81. Valores de microdurezas en el acero DP800 ........................................ 80

82. Valores de microdurezas en el acero Usibor©1500 ............................... 81

83. Vista superior e inferior del roscado realizado en las probetas del acero

DP600 .................................................................................................... 81

84. Detalle del perfil del roscado en el acero DP800 ................................... 82

85. Rosca en corte del acero DP600 ........................................................... 82

86. Rosca en corte del acero DP800 ........................................................... 83

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Índice de tablas

1. Características mecánicas aceros alta resistencia ......................................... 18

2. Fases del recubrimiento de Zinc .................................................................... 34

3. Condiciones del proceso de taladrado por fricción empleadas en los ensayos

………… ......................................................................................................... 41

4. Composición química de los materiales empleados....................................... 42

5. Valores de fuerzas y momentos máximos ...................................................... 53

6. Valores de fuerzas y momentos pico mínimos ............................................... 54

7. Tiempo del proceso de taladrado ................................................................... 83

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Lista de símbolos Letras Mayúsculas

E [GPa] Módulo de elasticidad Ff [N] Fuerza de avance Ff2 [N] Fuerza de avance mínima Fffinal [N] Fuerza de avance final del agujero Ffmáx [N] Fuerza de avance máxima G [MPa] Módulo de cizallamiento Mt [N.m] Momento torsión Mtmáx [N.m] Momento torsión máximo Q [kN] Carga aplicada T [°C] Temperatura Tf [°C] Temperatura de fusión absoluta WF [J] Trabajo total de deformación Letras Minúsculas

di [mm] Diámetro del agujero de la rebaba e [mm] Espesor de la pared de la rebaba f [%] Fracción volumétrica das partículas fb [%] Fracción volumétrica da fase b fr [%] Fracción de granos recristalizados l [mm] Longitud total de la rebaba hs [mm] Longitud de la zona del mango de la herramienta hi [mm] Longitud de la zona cilíndrica de la herramienta hn [mm] Longitud de la zona cónica de la herramienta hc [mm] Longitud de la zona de centrado de la herram. z [mm] Longitud de recorrido de la herramienta n [rpm] Rotación r [mm] Radio s [mm] Espesor de la chapa si [mm] Espaciamiento interlamelar vc [m/min] Velocidad de corte vf [mm/min] Velocidad de avance Letras griegas β [grados] Ángulo de punta de la herramienta α [grados] Ángulo de cono de la herramienta δ % Profundidad de ruptura da rebaba ρ [mm/mm3] Densidad de discordancias σ [MPa] Tensión de tracción σe [MPa] Tensión equivalente σi [MPa] Tensión de fricción y σ [MPa] Limite de fluencia σu [MPa] Tensión real máxima

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

1

1. Introducción

El taladrado por fricción (“friction drilling” o “thermal drilling”) o también llamado como

taladro por fluencia térmica es un método no convencional para la generación de

agujeros en tubos, chapas y piezas de poco espesor. Una de las características de

este proceso es que la herramienta rotativa empleada carece de filos de corte, estando

su geometría definida básicamente por dos secciones distintas: una superficie cónica y

otra cilíndrica (Fig.1). El proceso emplea el calor generado por la fricción entre la parte

cónica de la herramienta y la pieza, lo que provoca un ablandamiento del material

permitiendo penetrar en él y generando a su vez una copa o rebaba en la salida del

agujero. La parte cilíndrica es la encargada de definir el diámetro final del agujero.

Fig. 1. Herramienta de taladrado por fricción.

Las ventajas que ofrece este proceso frente a un taladrado convencional son muchas:

En un proceso de taladrado tradicional se hace necesario el empleo de refrigeración

con el fin de reducir la fricción y el calor generado, justo lo contrario de lo que pretende

esta técnica. Por lo tanto al no aplicar refrigeración se convierte en un proceso limpio .

Además, la copa generada es susceptible de ser roscada, lo que permite sustituir el

empleo de tuercas soldadas. Esta aplicación cobra gran interés cuando se trata de

hacer agujeros roscados en piezas tubulares o con geometrías complejas que no

permitan un fácil acceso. Entretanto, la mayor parte del material de la pieza en

contacto con la herramienta pasa a formar parte de la copa generada en la parte

inferior de la pieza, y otra pequeña parte del material genera rebaba en la parte

superior. Existen dos opciones cuando se trata de la rebaba superior, una posibilidad

es que sea aplastada por el anillo de la herramienta y ese material permanezca en la

pieza, lo que lo convierte en un proceso sin generación de viruta. La otra posibilidad es

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Deividi Nardi

2

que ese material sea eliminado de la pieza. Para ello la herramienta está dotada de un

rompevirutas entre el anillo y la zona cilíndrica encargada de definir el diámetro del

agujero, pero como la cantidad de material eliminado es escaso se puede decir que

sigue siendo un proceso limpio sin generación de viruta. Se obtiene un incremento en

la vida útil de la herramienta ya que carece de filos de corte que se desgasten.

El taladrado por fricción en combinación con el roscado por deformación es una

alternativa rentable para uniones metálicas, substituyendo el empleo de remaches o

tuercas soldadas. Uno de los objetivos de ese trabajo es aplicar dicho proceso en los

nuevos materiales utilizados principalmente en automoción, como los acero de ultra

alta resistencia AHSS (“Advanced high strength steel”), son aceros de doble fase con

bajo carbono, microaleadas, sin o con recubrimientos tipo aluminio-silicio o

recubrimientos galvánicos. Actualmente, son escasos los estudios de estos materiales

aplicado al proceso de taladrado por fricción, además en el caso de las chapas de

acero con recubrimiento de Zinc actualmente el proceso de taladrado por fricción no

puede ser aplicado por la ocurrencia de fallos como agrietamientos o daños

superficiales en los agujeros, siendo que estos materiales están siendo ampliamente

utilizados en la fabricación de automóviles, justificando así un amplio estudio y la

creación de una nueva técnica para la mejora del proceso.

Por otro lado, los fabricantes de herramientas aún no han asignado para el mercado

valores óptimos del proceso de taladrado por fricción para aceros AHSS, justificando

así dicha investigación para encontrar parámetros ideales del método.

Por lo tanto, queda evidenciada la importancia de hacer estudios relacionados con el

comportamiento microestructural y las propiedades mecánicas del proceso de

taladrado por fricción visando el entendimiento de los fenómenos metalúrgicos

implicados durante el proceso. Por otro lado, pruebas de resistencia en agujeros

generados por ese proceso presentan [Miller et al., 2006] mejores resultados en

comparación con agujeros roscados por mecanizado. La diferencia puede ser

explicada por las alteraciones microestructurales relaciones con las transformaciones

de fases, acritud o afino de grano. Sin embargo, dichas transformaciones dependen y

varían de acuerdo con el material, condiciones de trabajo, diámetro de herramienta,

espesor de la chapa, recubrimientos, cuales estos combinados entre sí determinan la

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

3

calidad del agujero, los niveles de deformación y la energía térmica aplicada en el

proceso.

En esta investigación se ha encontrado parámetros de trabajo ideales en el proceso de

taladrado por fricción como velocidades de avance y rotación de la herramienta,

relacionando estos con la región térmicamente afectada en chapas de acero doble

fase de ultra alta resistencia, así como la busca de la solución para la aplicación del

proceso de taladrado por fricción en aceros de doble fase de ultra alta resistencia con

recubrimientos.

A continuación, en el capítulo 2 se presenta una revisión bibliográfica y los trabajos

investigativos desarrollados hasta el momento en el taladrado por fricción en metales,

abordando aspectos generales del proceso en conjunto con los mecanismos

termomecánicos y microestructurales sufrido por los materiales. Se hace una revisión

también en los materiales ensayados y su importancia actual en el mundo de la

automoción. En los capítulos 3 y 4 se presentan respectivamente los objetivos

propuestos por el trabajo y el planteamiento para la realización de los experimentos. El

capítulo 5 presenta los resultados obtenidos en los experimentos. Las conclusiones y

futuras líneas de investigación se presentan en el capítulo 6.

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Deividi Nardi

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2. Estado del Arte

Con el transcurso de los años se ha realizado un esfuerzo importante en el estudio del

taladrado por fricción, no solamente desde el punto de vista experimental sino también

teórico, de los efectos que se producen a partir de la interacción herramienta y material

[Miller et al., 2006], lo que ha posibilitado un conocimiento de los procesos

termomecánicos y microestructurales que dan lugar durante el taladrado. Aún así,

nuevos materiales que surgen con nuevas tecnologías de fabricación para

aplicaciones especiales como los que aquí investigamos, carecen de un mejor análisis

y estudio del proceso. Además, los fabricantes de herramientas aún no han asignado

para el mercado valores óptimos del proceso en el caso de aceros como los AHSS o

aceros con recubrimientos y tampoco investigaciones relacionados con dichos aceros

fueron encontrados.

En este capítulo se realiza una revisión de los procesos e investigaciones actuales del

taladrado por fricción, así como una revisión de las características de los materiales

involucrados en el estudio, seguido por un abordaje de los aspectos morfológicos e

influencias de las características mecánicas y microestructurales de los materiales.

2.1. Taladrado por fricción

El taladrado por fricción es un método no convencional para la generación de agujeros

en tubos, chapas y piezas de poco espesor. El proceso emplea el calor generado por

la fricción entre la parte cónica de la herramienta y la pieza, lo que provoca un

ablandamiento del material permitiendo penetrar en él y generando a su vez una

rebaba o copa en la salida del agujero. La parte cilíndrica es la encargada de definir el

diámetro final del agujero (Fig. 2). Además, la copa generada es susceptible de ser

roscada, lo que permite sustituir el empleo de tuercas soldadas o clips. Esta aplicación

cobra gran interés cuando se trata de hacer agujeros roscados es piezas de poco

espesor, tubulares o con geometrías complejas que no permitan un fácil acceso. Así

siendo, el taladrado por fricción puede simplificar el proceso de unión de chapas o

perfiles, simplificando también el proceso de producción.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

5

Fig. 2. Etapas del proceso de taladrado por fricción y roscado por deformación.

En la fabricación de carrocerías de automóviles, donde actualmente se utiliza aceros

avanzados de alta resistencia, se puede fijar piezas o subestructuras en la estructura

del vehículo por medio de un proceso convencional donde se fabrica una rosca por un

proceso de mecanizado o se suelda una tuerca en la chapa o se utilizan los clips de

fijación (Fig. 3); estos pueden ser substituidos por el proceso de taladrado por fricción.

Con esa idea, los equipos en la línea de fabricación pueden ser reducidos, como por

ejemplo robots complejos y de alto coste que son utilizados para soldar las tuercas,

substituyendo por una simple máquina de taladrar para el proceso aquí tratado. Los

costes de inventarios, la producción de tuercas o control de distintas referencias son

eliminados, reduciendo así el desperdicio de material y peso de la pieza, resultando en

una disminución del coste de producción, factor prioritario en el mundo de automoción.

Por otro lado, la resistencia mecánica del agujero roscado generado por el proceso de

taladrado por fricción presenta valores superiores en comparación con tuercas

soldadas [Weingaertner et al., 1997], y si comparamos con la aplicación de los clips,

queda aún más evidenciada la mayor resistencia del roscado por taladrado por

fricción.

Fig. 3. Clips de fijación y tuercas para soldar.

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Deividi Nardi

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El proceso de taladro por fricción por sus características particulares, además de la

automoción también ha sido introducido en las más diversas aplicaciones del área

industrial, como en la fabricación de electrodomésticos, bicicletas, muebles,

maquinarias agrícolas, industria de equipamientos industriales, construcción civil,

naves industriales, etc. En las figuras siguientes se muestran algunos ejemplos.

Fig. 4. Columna de dirección y fijación de sonda lambda.

Fig. 5. Sistemas de suspensión de vehículos.

Fig. 6. Sillas y mesas.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

7

2.2.1. Características del proceso de taladrado por fricción

En el taladrado por fricción se puede utilizar maquinas herramienta convencionales, sin

embargo la aplicación de máquinas CNC optimizan los resultados. La herramienta de

taladrado presenta una geometría (Fig. 7) cónica en la punta, parte esa responsable

por generar rozamiento que contacta con el material usando alta velocidad combinada

con presión axial. Esto produce fricción térmica que plastifica el material y ayuda a

formarlo y taladrarlo. Cuando la herramienta penetra en el material, el material

desplazado forma un collar alrededor de la superficie superior de la pieza. El resto del

material se desplaza formando un casquillo, rebaba o copa alrededor del agujero en la

superficie inferior. El collar y la copa que resultan de la operación son

aproximadamente 3 veces el espesor del material. El diámetro del agujero es

determinado precisamente por la parte cilíndrica de la herramienta. El tiempo de

taladrado en general suele durar pocos segundos (2 a 8 segundos.), dependiendo del

diámetro del taladrado y el espesor de la chapa. Comercialmente se puede encontrar

herramientas en diámetros que varían entre 3 y 30 mm. Las herramientas son

moldeadas y formadas de un material con alta dureza, generalmente carburo de

tungsteno. Actualmente, los fabricantes de herramientas de taladrado por fricción

recomiendan aplicar el proceso en cualquier material dúctil con límite elástico hasta

500 MPa, en materiales como aluminios, cobre, latón, aceros, etc.

Fig. 7. Geometría de la herramienta de taladrado por fricción.

La geometría de la herramienta puede variar de acuerdo con la utilización, material o

espesor de chapa. La punta cónica es la parte de mayor solicitud mecánica, pues los

ensayos demuestran que el mayor esfuerzo axial se presenta cuando la punta de la

herramienta empieza a contactar la chapa. Existen variaciones de las herramientas,

que de acuerdo con distintas necesidades varían las longitudes (Fig. 8), diámetros o

con ranuras en la punta cónica, que sirven para materiales con camadas indeseables o

para reducir la fuerza axial de inicio de taladrado. Esta ranura provee una orilla

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cortante que facilita perforar capas de pintura, o tratamientos especiales que cubran el

material, sin embargo para recubrimientos de cinc esa geometría no presenta efectos

positivos. También se puede utilizar con materiales que se puedan doblar con altas

presiones porque son muy delgados o no tienen bastante rigidez. En la mayoría de las

aplicaciones de taladrado por fricción, la vida útil de la herramienta se determina por su

ruptura total, siendo que apenas en casos de aplicaciones de bajas cargas se observa

desgaste en la punta que conlleva a agujeros de baja calidad. En términos de vida útil,

se espera valores entre 8.000 a 15.000 agujeros para aceros dúctiles, pero eses

valores dependen mucho de las cargas aplicadas y temperaturas alcanzadas. Para

disminuir el rozamiento, pueden ser empleados lubricantes en forma líquida o pasta,

compuestos básicamente de sulfitos de cinc, aplicados en la superficie de la

herramienta antes de cada agujero.

Fig. 8. Geometría de distintas herramientas de taladrado por fricción.

2.2.2. Cinemática del proceso

El comportamiento del taladrado por fricción básicamente puede ser caracterizado por

la fuerza de avance, momento de torsión y temperatura de contacto. Dichos valores

dependen básicamente de los parámetros de entrada, como velocidad de avance y

rotación, las características del material y la geometría de la pieza. Cuando el espesor

de la pieza aumenta se observa un incremento tanto de la fuerza de avance como el

momento de torsión. Esto se debe a que el volumen de material a reblandecer y la

resistencia a la deformación aumentan con el espesor. En cuanto al momento de

torsión, cuando el área en contacto entre la parte de la rebaba y la herramienta es

mayor, se genera mayores fuerzas de fricción. Además, para un espesor de pieza y

velocidad de rotación constate, al incrementar el avance, las fuerzas de avance son

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

9

mayores. Sin embargo, cuando se incrementa la velocidad de rotación, manteniendo el

avance constate, el valor de las fuerzas de avance y el momento de torsión

disminuyen.

Fig. 9. Evolución del momento y esfuerzo en el proceso de taladrado por fricción.

Los esfuerzos y momentos axiales que se realizan durante el proceso de taladrado por

fricción son variables (Fig. 9), siendo estos comprendidos en dichas zonas:

O-A: la zona de centrado de la herramienta fricciona con la superficie de la pieza al

mismo tiempo que avanza por lo que la fuerza de empuje se incrementa. Se alcanza el

máximo de la fuerza de empuje cuando por el aumento de la temperatura del material

en contacto con la herramienta, disminuye la resistencia a ser deformado.

A-B: a medida que se avanza, aumenta la superficie de contacto entre la parte cónica

de la herramienta y la pieza. Esto provoca un aumento de la fricción entre ambas

superficies, lo que origina un incremento del momento.

B-C: la zona cilíndrica de la herramienta, entra en contacto con la parte de la rebaba

de mayor espesor, lo que produce un leve incremento de la fuerza de empuje y un

aumento rápido del par.

C-D: el par disminuye cuando la zona cilíndrica de la herramienta comienza a deformar

la región de la rebaba de menor espesor. La fuerza de empuje también experimenta un

descenso progresivo.

D-E: esta región corresponde con la zona de rompevirutas de la herramienta. La viruta

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Deividi Nardi

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superior es aplastada por la herramienta al mismo tiempo que es arrancada, como

consecuencia se experimenta un incremento en el valor tanto del par como de

esfuerzo axial.

E-F: esta región comprende el retroceso de la herramienta. La fuerza de empuje

disminuye rápidamente hasta cero aunque existe una ligera fricción entre pieza y

herramienta como se refleja en el momento axial medido.

2.2.3. Temperaturas del proceso

La temperatura del proceso tiene importancia debido a su relación con las propiedades

mecánicas del material, en el desgaste de la herramienta y en las transformaciones

microestructurales del material de la pieza final. Investigaciones [Lopes, 1994]

presentan que para cada fase distinta del proceso las fuentes de calor varían (Fig. 10).

Básicamente el calor puede ser generado por dos fuentes: Por el rozamiento y por la

deformación plástica. Primeramente, en la zona de centrado de la herramienta que

fricciona con la superficie de la pieza se alcanza el máximo de la fuerza de empuje y

una generación de calor por rozamiento puro. Posteriormente, el calor es generado por

el cono de la herramienta pues se aumenta la superficie de contacto entre la parte

cónica de la herramienta y la pieza, es decir, por el rozamiento de la herramienta y por

la deformación plástica del agujero. La velocidad de enfriamiento del agujero es

importante pues define las transformaciones microestructurales generadas.

Fig. 10. Zonas afectadas térmicamente durante el proceso.

Diversos métodos experimentales de medición de temperatura fueron utilizados para

determinar el comportamiento del proceso de taladrado por fricción, tales como

termopares, termocámeras [Lopes, 1994, Weingaertner et al., 1997], además métodos

matemáticos pueden ser utilizados para estimar teóricamente la temperatura máxima

local en la interface de pieza herramienta. La temperatura alcanzada por la pieza es un

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

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factor importante en la formación de la copa. Cuando la temperatura alcanzada

durante el taladrado por fricción es baja, la viruta experimenta un mayor número de

fracturas, desplazando el material en dirección radial al agujero. Por otro lado, cuando

la temperatura alcanzada por la pieza es mayor, la copa adquiere una forma más

cilíndrica [Lee et al., 2008]. El método más eficiente de medición de temperatura en el

caso de taladrado por fricción es utilizando un pirómetro de dos colores, cual puede

medir temperaturas comprendidas en el rango de 350ºC hasta 1300ºC. La captura de

la señal debe ser medida en tiempo real con la ayuda de un ordenador y un software

específico para la marca y modelo del pirómetro empleado. Los valores típicos de

temperaturas encontrados en investigaciones [Lee et al., 2008, Lopes, 1994]

dependiendo del espesor empleado y las condiciones de mecanizado varían entre

500°C y 900°C para aceros dúctiles.

2.2.4. Tiempo de proceso

El tiempo total de realización del agujero es de fundamental importancia para la

aplicación del proceso en medios industriales a larga escala. La duración del proceso

se relaciona con el tiempo de calentamiento del material base seguido por la

conformación del mismo. Como datos orientativos, en chapas de acero dúctil para

espesores comprendidos entre 1 y 4mm, el tiempo total máximo de taladrado puede

ser de dos hasta ocho segundos. Para disminuir u optimizar el tiempo total de proceso,

se puede recurrir a herramienta más cortas, reduciendo el tiempo de 10% a 30%

aproximadamente. La utilización de máquinas herramienta CNC con velocidades de

avance variables reduce en cerca de 55% el tiempo de taladrado cuando comparado

con condiciones constantes de velocidad [Head et al., 1984].

2.2.5. Calidad de las copas generadas

La geometría y la calidad de la copa generada son de fundamental importancia para la

resistencia final del agujero roscado. Una herramienta corta produce un agujero

cónico, y una herramienta larga produce un agujero cilíndrico. Como medidas

principales del agujero tenemos el diámetro, espesor de pared de la copa y longitud de

la copa (Fig. 11). En experimentos anteriores [Lee et al., 2008, Lopes, 1994] se ha

verificado que la longitud de la copa es dependiente de las velocidades de avance y

rotación. Velocidades de avance bajas combinados con altas rotaciones resultan en

copas más largas, influenciando la resistencia a tracción del agujero roscado.

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Entretanto, la profundidad total de la copa generada también depende del espesor de

partida. A mayor espesor, mayor es el volumen de material a deformar, por lo que se

obtienen mayores copas. La medición y análisis de la calidad de la copa es un factor

relevante en el caso de chapas de acero con recubrimientos cinc, donde microgrietas o

macrogrietas son generadas por la interrelación del substrato de cinc con la matriz

metálica en el proceso de taladrado por fricción. Existen clasificaciones de calidad de

copa [Lopes, 1994]. En dicho sistema, el valor de la calidad es determinado por la

longitud total de la copa en relación al borde de ruptura formado en la extremidad

inferior de la copa. Las mejores calidades, tipo 1 y 2, son susceptibles al roscado

conforme la norma DIN 267, ensayo que determina la carga de resistencia máxima

media de tracción.

Fig. 11. Medidas principales del agujero.

2.2.6. Roscado por laminación

El roscado por laminación se ha convertido, en el ámbito de la producción, en una

auténtica alternativa en lo referente a la reducción del tiempo de mecanización y de los

costes. Así, pueden fabricarse roscas en aceros en frío sin formación de virutas, lo

cual aumenta la seguridad del proceso durante la producción. En el caso del taladrado

por fricción, se hace necesario realizar como proceso posterior un roscado interno en

el agujero. Las ventajas pues del roscado por laminación frente al roscado

convencional (roscado por corte) son: Se incrementa la fuerza de extracción de la

rosca formada (20 a 50% más de resistencia que un roscado convencional), debido a

que el proceso modifica el material de la rebaba sin cortar la estructura natural del

metal, pues durante el proceso de roscado por laminación las fibras del material son

deformadas y no cortadas, generando también acritud en la rosca [Miller et al., 2006];

la formación de la rosca en el agujero es exacta y precisa; se aumenta la

productividad, al aumentar la velocidad y la vida útil de la herramienta, además es un

Espesor

Longitud

Diámetro

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

13

proceso sin formación de viruta. Además, se aplican muchos materiales, como aceros,

aceros aleados, inoxidables y en aleaciones de aluminios y cobre.

Fig. 12. Roscado por laminación en el taladrado por fricción.

Las herramientas de laminación permiten soportar altos momentos torsionales además

de una menor sensibilidad con variaciones dimensionales del agujero inicial. El macho

de laminación tiene una sección poligonal, compuesta de 5 o más aristas.

Normalmente se utiliza en la misma máquina herramienta donde se realiza en agujero

por taladro por fricción. Son fabricados en acero rápido, con revestimiento superficial

duro de nitruro de titanio o se aplican sobre la herramienta recubrimientos antifricción

y también en ciertos casos se introduce un suministro interno de lubricante-

refrigerante, con el fin de refrigerar y lubricar de forma segura la superficie de

laminación. Tienen una punta cónica con filos de menor diámetro que son

responsables de iniciar el desplazamiento del material. Otra característica del roscado

por laminación es la formación de una crista en el filo de la rosca; las puntas y los

flancos de los dientes del macho penetran en el agujero y desplazan el material en los

espacios libres del perfil del macho. De este modo se forma el perfil de la rosca

característico con la ranura inconfundible en la punta (Fig. 13).

Fig. 13. Deformación generada en los filos del roscado por laminación [Miller et al.,

2006].

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2.2.7. Transformaciones microestructurales

Durante el proceso de taladrado por fricción, el material es sometido simultáneamente

a diferentes tasas de deformación y temperatura, cuya zona de fluencia sigue hasta la

zona adyacente al agujero [Miller et al., 2006]. Debido a la presencia de estos

gradientes de deformación y temperatura en la zona termomecánicamente afectada

del agujero final, este se puede ocurrir de forma simultánea con diferentes cambios

microestructurales. En conjunto con los resultados de formas y dimensiones, tenemos

una suma de características que resultan en los parámetros como avance y rotación

ideal para el procesado. Posteriormente, los agujeros generalmente sufren un roscado

por deformación, por eso motivo, cuanto mayores las dimensiones de las copas

consecuentemente mejor las resistencias mecánicas finales del agujero roscado. Así

siendo, con un análisis metalografíco y la medición de las microdurezas, se analizan

las transformaciones microestructurales en las tres zonas (Fig. 14). En el taladrado por

fricción el material es calentado al mismo tiempo que sufre deformación. Debido a la

presencia de estos gradientes, en la misma copa vamos a tener diferentes zonas de

calentamiento y diferentes zonas de durezas, parte causado por las transformaciones

termomecánicas y otra parte por la acritud.

Fig. 14. Las zonas afectadas térmicamente en la copa del agujero.

Investigadores [Miller et al., 2006, Weingaertner et al., 1997] también han verificado

alteraciones microestructurales en taladrado por fricción en distintos materiales, como

aceros de bajo carbono, en aceros inoxidables austeniticos y en aleaciones de

aluminio, variando condiciones y parámetros del proceso.

Análogamente, la deformación plástica en caliente o el conformado en caliente

consisten en llevar el material a elevadas temperaturas con el fin de obtener

deformaciones importantes sometiendo el material a esfuerzos relativamente limitados.

Zona de

transición

Zona del

material base

Zona de máximo

calentamiento

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

15

Estos procesos modifican la microestructura del material y su tamaño de grano. A nivel

industrial el conocimiento de este proceso y la predicción de la microestructura que se

obtendrá son fundamentales para predecir las propiedades del material una vez

conformado. En el caso de los aceros microaleados esto cobra especial importancia ya

que estos adquieren sus propiedades al final del proceso de conformado y no en

tratamientos térmicos posteriores que permiten modificar la microestructura. Todo

proceso de conformado en caliente consta fundamentalmente de dos fenómenos que

se combinan para determinar la estructura final del material. Dichos procesos son los

de endurecimiento por deformación y ablandamiento debido a procesos dinámicos de

recuperación (restauración y/o recristalización). La principal característica del trabajo

en caliente es que se elimina el endurecimiento por deformación y la acritud asociada

a él. Además, se facilita la sustitución de la estructura granular deformada por nuevos

granos libres de deformación. En términos generales, el trabajo en caliente permite

conseguir deformaciones más significativas tensionando menos el material.

2.2. Aceros avanzados de alta resistencia AHSS

El sector de la automoción constituye el segundo mercado del acero después de la

construcción y obra pública. Chasis y carrocerías, piezas del motor, la dirección o la

transmisión, instalación de escape, etc., son de acero, con lo que este representa del

55 al 70% del peso del automóvil. Hoy en día, los aceros avanzados de alta resistencia

permiten una producción a menor coste de vehículos más ligeros, principalmente

debido a las ventajas que presenta con respecto a otras aleaciones ligeras: El acero

tiene una buena embutibilidad en elementos de carrocería, presenta una buena

soldabilidad en comparación con el aluminio y es fácilmente reciclable. En los últimos

anos en el sector automovilístico se están dando importantes cambios en cuanto a las

exigencias a los nuevos modelos: más seguridad en las pruebas de impacto pero con

un menor peso para conseguir una reducción del consumo y en consecuencia menor

contaminación. Para cumplir estas exigencias se están incorporando entre otros

materiales los aceros de alta resistencia, que por sus altas características permiten

reducir los espesores en piezas de la carrocería (Fig. 15), tales como los montantes B,

montantes A, taloneras, refuerzos laterales, etc.

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Fig. 15. Materiales en carrocerías de automóviles.

Además, durante los últimos años se está apostando fuertemente por medidas más

respetuosas con el medio ambiente. Las políticas nacionales e internacionales están

realizando esfuerzos económicos tanto a nivel de investigación como apoyo a

empresas para que se consigan avances tecnológicos más respetuosos con el

entorno. El sector automovilístico no se encuentra al margen de estas políticas, y dado

que es un sector altamente contaminante, está apostando más fuertemente desde

diferentes líneas estratégicas, que tienen como última finalidad la reducción del

consumo de los combustibles fósiles. Para ello el sector se enfrenta con dos opciones,

la primera la apuesta por nuevos métodos de obtención de energía más limpias y la

segunda por la reducción de contaminantes de los actuales combustibles. Una forma

de llevar a cabo esta reducción del consumo es la reducción del peso de los

componentes de un automóvil, y por lo tanto la investigación y aparición de nuevos

materiales más ligeros que contengan las mismas prestaciones mecánicas o

superiores.

Actualmente para llevar a cabo la reducción de espesores de los diferentes

componentes metálicos encontrados en un automóvil, como montantes, taloneras,

refuerzos laterales, etc., con un aumento la resistencia al impacto, se está empezando

a utilizarse los llamados aceros de alta resistencia. Dichos aceros (aceros HSS, “High

Strength Steel”) se caracterizan por presentar valores de limite elástico entre 450 y 550

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

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MPa. Por encima de estos aceros, desde el punto de vista mecánico están los aceros

avanzados de alta resistencia mecánica (aceros AHSS, “Advanced High Strength

Steel”), cuyo límite elástico es superior a 550 MPa y puede llegar hasta 1600 MPa.

Sin embargo, actualmente los resultados de investigaciones de taladro por fricción en

los aceros HSS/AHSS y su aplicación en automoción aún son escasos. Los fabricantes

de herramientas aún no han asignado para el mercado valores óptimos del proceso,

justificando así dicha investigación para encontrar parámetros ideales del método. En

este proyecto se aborda la aplicación del taladrado por fricción en los aceros de

múltiples fases, pues actualmente son los más aplicados dentro de la gama de los

AHSS en la automoción. La elevada resistencia de estos aceros hace factible el

desarrollo de diseños eficientes en términos de masa, que economizan el consumo de

combustibles, mientras que de manera simultánea, generan un incremento en la

resistencia a los impactos en colisiones. A diferencia de muchos otros materiales

competitivos, los AHSS pueden cumplir con estos objetivos sin causar un aumento en

el costo total para el fabricante. Diversos diseños conceptuales de vehículos completos

y diseños de los subsistemas han presentado un ahorro del 25 por ciento en términos

de masa, sobre aquellos diseños convencionales actuales que usan aceros de alta

resistencia, en tanto que a la vez logran una mejoría en la resistencia al impacto por

colisiones, sin causar un aumento en los costos. Precisamente, una de las virtudes de

estos aceros, su elevado límite elástico, les supone un importante inconveniente para

su extensiva aplicación en distintos componentes de piezas del automóvil e incluso les

impide dar el salto hacia otros sectores industriales donde la relación resistencia-peso

deba ser optimizada.

La principal diferencia entre los aceros convencionales HSS y los avanzados AHSS es

su microestructura. Los HSS son monofásicos con una estructura ferritica, mientras

que los AHSS son de múltiples fases, que pueden contener ferrita, martensita, bainita,

y / o austenita retenida en cantidades suficientes para producir distintas propiedades

mecánicas. Algunos tipos de AHSS tienen una mayor capacidad de endurecimiento

dando como resultado unas propiedades resistencia-ductilidad mayor a los aceros

convencionales. Como podemos (Fig. 16) ver la estructura de la nomenclatura

comienza con el tipo de acero seguido del límite elástico y la tensión de rotura.

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Fig. 16. Limite elástico de los aceros HSS y AHSS.

La fabricación de los AHSS es algo más compleja que los aceros convencionales. El

control en la fabricación debe ser mayor ya que se basa en los porcentajes de las

diferentes fases presentes. Dentro de esta clasificación encontramos las siguientes

nomenclaturas del anglosajón: „Dual Phase‟ (DP), „Transformation-Induced Plasticity’

(TRIP), „Complex Phase‟ (CP), Ferritic-Bainitic (FB), „Twinning-Induced Plasticity’

(TWIP), „Hot-Formed’ (HF), „Post-Forming Heat- Treatable’ (PFHT). En la tabla 1

tenemos las características mecánicas de los principales aceros de alta resistencia

presentes actualmente en el mercado.

Tabla 1. Características mecánicas aceros alta resistencia.

La historia de los aceros DP para aplicaciones estructurales de componente de

automóvil no es tan reciente, donde se indica aproximadamente la fecha de aparición

en el mercado europeo del primer grado industrial de cada acero. Se aprecia que el

desarrollo de aceros DP es previo a 1980 (Fig. 17).

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Fig. 17. Evolución de los aceros de alta resistencia.

Los aceros DP fueron los primeros aceros AHSS en desarrollarse, [UltraLight, 2002]

pero su uso industrial, al igual que los TRIP, no empezó hasta 1995, impulsado por el

consorcio ULSAB (“Ultra Light Steel Automotive Body”, es decir chasis ultraligero en

acero). El objetivo del consorcio ULSAB era fabricar chasis ligeros de acero,

reduciendo el espesor de sus componentes mediante el desarrollo de aceros de mayor

resistencia mecánica. Los resultados del proyecto ULSAB desembocaron en la

implementación industrial de estos aceros a mediados de los años 90.

2.2.1. Aceros de Doble Fase

La denominación del acero doble fase o aceros DP (“Dual Phase”) proviene de las dos

fases que conviven en este acero: una matriz de ferrita fina que aporta una buena

formabilidad en la que aparecen pequeñas islas de martensita que aportan una

extraordinaria dureza. Se pueden obtener altos valores de resistencia según la

cantidad de martensita presente. Los aceros DP son fabricados con un alto control en

el enfriamiento de la austenita para posteriormente transformar esta en martensita,

aunque dependiendo del proceso de fabricación pueden mejorar por la aparición de

bainita. El recocido al que es sometido va a ser clave en estos aceros ya que de ahí se

obtendrá la fase más dura. El efecto de endurecimiento incrementa el valor del límite

elástico (Fig. 18) con una elevada temperatura de envejecimiento. En los aceros DP

elementos como el manganeso, el cromo, el molibdeno, vanadio y níquel ayudan a la

formación de la martensita. Esta capacidad dual da los materiales una muy buena

conformabilidad, ya que coexiste una fase blanda como la ferrita y una dura como la

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martensita. El proceso de endurecimiento por cocción va a dotar a estos materiales de

una mayor resistencia como consecuencia de la aparición de compuestos

intermetálicos. El acero DP es un acero apto para estampación y deformación en frío.

La gama de los aceros DP se puede estampar en útiles clásicos optimizando los

ajustes. Los esfuerzos de estampación aumentarán cerca del 20% en relación con un

acero de tipo microaleado del mismo espesor.

Fig. 18. Límite elástico de los aceros tipo doble fase.

Para las piezas destinadas a solicitudes dinámicas, el esquema de estampación debe

estudiarse detenidamente para aprovechar todas las ventajas de este acero, en

particular su resistencia a la fatiga. Las excepcionales características de este acero,

tales como una gran resistencia al choque, han encontrado muchas aplicaciones en la

industria automovilística en piezas de estructuras y seguridad como barras laterales de

impacto o refuerzo de asientos (Fig. 19).

En relación a la nomenclatura de estos aceros, debido a que los métodos utilizados

para su identificación varían de forma considerable en todo el mundo, la industria

siderúrgica de forma global, recomendó un sistema de clasificación que define su

límite elástico y su límite de rotura. Bajo esta nomenclatura, los aceros son

identificados como “XX aaa/bbb”, donde: Por ejemplo, en este sistema de clasificación,

DP 500/800 se refiere a un acero de fase doble con un límite elástico de 500 N/mm2 y

un límite de rotura de 800 N/mm2. En algunas ocasiones nos podemos encontrar con

una versión abreviada de este sistema, en la que sólo se indica el límite elástico, en

este caso DP 500.

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Fig. 19. Aplicación del acero tipo DP en carrocerías.

Sin embargo, los aceros DP presentan algunos problemas durante el proceso de

fabricación, como la rotura de herramientas a causa de los elevados requerimientos de

carga necesarios para la conformación de las piezas, así como los insertos

endurecidos y los filos de las cuchillas de corte que pueden desgastarse en el

transcurso del mecanizado. Problemas de calidad en las dimensiones de las piezas

que surgen a causa de la recuperación elástica (“springback”) asociado con la alta

resistencia y con el aumento de la sensibilidad en el proceso por la variabilidad en las

propiedades del material a niveles superiores de resistencia.

2.2.2. Aceros Doble Fase Martensíticos estampados en caliente

Son aceros de tipo doble fase con predominancia de la fase martensitica (MS),

presentan un elevado límite elástico tras el tratamiento térmico (Fig. 20). Son

excelentes para las funciones anti intrusión del vehículo (vigas de parachoques,

refuerzo de puerta, refuerzo central, montante de vano, etc.). Las características

mecánicas finales obtenidas en las piezas permiten un aligeramiento significativo

(hasta un 50% con respecto a un acero de alto límite elástico estándar).

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Fig. 20. Límite elástico de los aceros tipo doble fase MS.

El más utilizado actualmente es el acero 22MnB5, microaleado al Boro, se basa en el

endurecimiento mediante un tratamiento térmico durante la operación de conformado,

logrando la resistencia que poseen mediante la coexistencia en la microestructura final

de fases “duras” al lado de las fases “blandas”, es decir, se parte de un acero inicial al

cual se le somete a un tratamiento térmico durante la operación de estampación que lo

transforma en otro acero. Su composición química resultante de la adición de Carbono,

Manganeso, Cromo y Boro, junto a la microestructura propia del acero de partida,

propicia que una vez aplicado el tratamiento térmico, la estructura obtenida sea

martensita, responsable directa de los altos grados de dureza que presentan estos

aceros. Están diseñados para ser sometidos a un tratamiento térmico seguido de

temple durante la operación de estampación en caliente (Fig. 21).

Fig. 21. Etapas del proceso de estampación en caliente.

El tratamiento térmico consiste en calentar el material a 900°C-950°C durante 5 a 10

minutos seguido de un temple entre matrices de estampación perfectamente enfriadas,

con velocidad de enfriamiento controlada (Fig. 22). Como principales ventajas,

presentan una separación de las funciones de conformación y de las propiedades de

uso, así como una importante conformabilidad en caliente y ausencia total de

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

23

recuperación elástica, además tienen una resistencia excepcional a la fatiga y a los

choques que permite afrontar importantes disminuciones en el espesor y, por

consiguiente, en la masa.

Fig. 22. Velocidades de enfriamiento y la transformación martensítica (Siciliano, 2001).

Formatos soldados (soldadura láser) por la tecnología de “Tailored Blanks” son muy

utilizados actualmente en estos aceros. La utilidad de los formatos soldados se puede

resumir en la buena calidad del acero, con espesor suficiente en el lugar adecuado.

Este concepto permite variaciones de espesor y de calidad de acero sin operaciones

de ensamblaje posterior y sin encabalgamiento de las chapas que se van a montar,

evitando el aumento de peso que se derivaría de ello. Así se puede controlar con

precisión las deformaciones de zonas específicas del vehículo en el momento del

choque, ya sea un choque lateral (poste B, Fig. 23) o bien frontal o trasero (largueros).

Hasta ahora todo lo que se ha nombrado sobre los aceros martensíticos al boro han

sido ventajas, pero también presentan inconvenientes referidos a su reparación. Como

consecuencia de su alta resistencia, las piezas que están fabricadas con este tipo de

materiales no pueden ser reparadas, ya que requerirían de la aplicación de esfuerzos

elevados para devolverles su geometría inicial, que hoy en día con los equipos

actuales no se pueden alcanzar. Además, el coste total de fabricación es superior en

relación a los aceros convencionales.

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Deividi Nardi

24

Fig. 23.Tailored Blanks con AHSS.

2.2.3. Microestructura de los aceros Doble Fase AHSS

Los aceros de Doble Fase son fabricados a través del tratamiento térmico de recocido

intercrítico, con temperaturas entres las líneas A1 y A3, en el campo ferritico-austenítico

del diagrama de fases, seguido de enfriamiento controlado (Fig. 24). Los aceros de

bajo carbono laminados en caliente o en frio pueden ser empleados en su fabricación,

donde la perlita se transforma en austenita durante el calentamiento, manteniendo

grande parte de la estructura ferritica retenida. Parte de la austenita generada se

transforma pues en martensita, resultando en una estructura ferritico-martensitico.

Generalmente, aceros de doble fase presentan menos de 0.1% de carbono, lo que

resulta en una elevada ductibilidad de la fase ferritica. Para compensar el bajo

contenido de carbono, se añade elementos de aleación como Mn, que aumenta la

templabilidad y el campo de la austenita retenida, consecuentemente el volumen de

martensita generado con el proceso de tratamiento térmico. Microestructuras doble

fase también pueden ser formadas directamente en la laminación en caliente con

presencia de aleaciones de Cr y Mo. Ferrita poligonal se forma directamente desde la

laminación y la austenita retenida reminiscente se transforma en martensita durante el

enfriamiento, mismo siendo un proceso con un lento enfriamiento, debido a la elevada

templabilidad de los elementos de aleación. Dicho proceso disminuí además la

variabilidad de las propiedades mecánicas y mejora la dispersión entre las fases

ferriticas y austeníticas, pues la dispersión se genera directamente en el acero en su

estado líquido [Mejía, 1998].

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

25

Fig. 24. Diagrama de fases acero.

Algunos parámetros importantes determinan la microestructura final de los aceros de

doble fase: La microestructura inicial del acero (antes del tratamiento) pues determina

el tamaño de grano da la ferrita y las ubicaciones en que la austenita se va a formar

[Jordi, 2008]. Por otro lado, los elementos de aleación que desplazan las curvas TTT

hacia la derecha, aumentando así la templabilidad de la austenita, resultando en una

formación de fronteras de martensita con tasas de enfriamiento menores. También

altas tasas de enfriamiento resultan en una transformación casi completa de la

austenita en martensita (Fig. 25).

Fig. 25. Efecto del enfriamiento en la transformación austenítica [Jordi, 2008].

Tasas de enfriamiento intermedias resultan en una ferrita epitaxial y otros productos de

la descomposición de la austenita. Otro factor que contribuye para el aumento de la

Baja tasa de enfriamiento Alta tasa de enfriamiento

Media tasa de enfriamiento

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Deividi Nardi

26

templabilidad de los aceros doble fase es la resistencia de la matriz ferritica, donde se

puede mejorar a través del afino de grano, por precipitación y endurecimiento por

solución solida. El afino de grano se realiza por la aplicación de una estructura inicial

más refinada, como precipitados de Al-Ti-Nb en fase austenítica, o por una

temperatura de recocido más baja, retrasando la recristalización.

2.3. Mecanismos de endurecimiento y ablandamiento en aceros

La acritud, la recuperación y la recristalización son alteraciones generadas por

procesos que incluyen grandes deformaciones combinados con temperaturas elevadas

en regiones específicas, como ocurre en el proceso de taladrado por fricción.

Dependiendo de la intensidad de las alteraciones metalúrgicas resultantes, las mismas

pueden influir las características mecánicas del material, como por ejemplo el aumento

del límite elástico y la variación de la dureza.

En el endurecimiento por acritud, los metales son susceptibles a aumentar su límite

elástico y su resistencia mecánica a rotura por deformación plástica en frío o trabajo en

frío (Fig. 26). Al mismo tiempo disminuye su capacidad de deformación plástica antes

de romper y consecuentemente su ductilidad. El incremento en los valores de

resistencia mecánica, de los metales sometidos a procesos de deformación en frío, se

debe a un fuerte incremento en el número o densidad de dislocaciones del metal. Las

dislocaciones se "anclan" entre ellas (repulsión) o sobre partículas extrañas de la red,

con un efecto acumulativo, es decir, cuando deformada en frio una pieza, ocurre una

generación de energía, siendo que mayor parte de dicha energía se disipa en forma de

calor, sin embargo una parte de esa energía, cerca de 10%, se almacena internamente

asociándose a defectos cristalinos generados [Monsalve et al., 2011]. Pueden ser

defectos puntuales, lineares y planeares (contornos de grano), pero la mayor parte de

esa energía se relaciona con la interacción de discordancias. Como resultado, cuanto

mayor la acritud mayor es el límite de fluencia, mayor la dureza y menor el limite

elástico, es decir, a medida que se aumenta la resistencia por la acritud la ductibilidad

decrece. Además, otras propiedades como conductibilidad eléctrica y resistencia a

corrosión pueden ser modificadas como consecuencia de la deformación plástica.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

27

Fig. 26. Modificación del diagrama s-e por deformación en frío.

Por otro lado, el comportamiento de los aceros a elevada temperatura implica dos

procesos de ablandamiento; la recuperación y la recristalización (Fig. 27). La

recuperación se basa en la redistribución de dislocaciones, la aniquilación de pares de

dislocaciones y la formación de subgranos que posteriormente evolucionarán hacia

nuevos granos. El efecto de la restauración dinámica no es el mismo en todos los

metales. Así, la recuperación se manifiesta en los metales con alta energía de

apilamiento [Monsalve et al., 2011].

La recuperación es la primera etapa del proceso de restauración de las propiedades

mecánicas cuando una pieza es deformada en frio. Cuando metales que han sufrido

acritud y son recocidos en temperaturas relativamente bajas (0.2 Tf) ocurre una

disminución o eliminación de defectos puntuales en los contornos de grano y

discordancias. En temperaturas mayores de recocido (entre 0.2 y 0.3 Tf) se consigue

una reordenación o en una eliminación de discordancias, formando subcontornos de

grano (contornos de grano de pequeños ángulos), resultando en una estructura

poligonizada.

La recristalización consiste en un proceso de nucleación y crecimiento de nuevos

granos (más reducidos que en el material original), con la desaparición del exceso de

dislocaciones, transformando los granos alargados de un metal que ha sufrido una

deformación en frío en granos equiaxiales o poliédricos calentando el material por

encima de una temperatura minima para cada metal o aleación. Para el acero es de

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Deividi Nardi

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entre 600ºC y 700ºC. Se define el tiempo de recristalización como el necesario para

que recristalice el 95% del material.

Fig.27. Diagrama de recocido y recristalización [Jordi, 2008]..

Los procesos que sufren una deformación plástica en caliente, como el taladrado por

fricción, la recristalización es dinámica. Una deformación plástica en caliente es,

conceptualmente, como una deformación en frío y recocido simultáneos; esto es, la

deformación induce dislocaciones especialmente, pero, como está caliente, en el

material se pueden ir produciendo simultáneamente o algo después los fenómenos

propios de un recocido. El material está más blando que a temperatura ambiente, lo

cual significa que se pueden imponer grandes deformaciones, bajo esfuerzos

razonables y sin fracturar el material. Aquí debe tenerse presente que se aplica la

deformación plástica, con el consiguiente aumento de dislocaciones, mientras el metal

está caliente. De modo que tres fenómenos (recuperación, recristalización y afino de

tamaño de grano) se pueden dar simultáneamente en el taladrado por fricción.

Mientras más rápida sea la velocidad de deformación, menos efectiva va a ser la

recuperación o recristalización dinámica (dinámica: en forma simultánea con la

deformación); entonces, mayor será la densidad de dislocaciones retenidas y más duro

será el material durante el proceso de deformación en caliente. Así, el límite elástico

en caliente del material es fuertemente dependiente de la velocidad de deformación.

Por otro lado, no sólo se modifica la forma externa del material. En efecto, se puede

desarrollar, a partir de una estructura de granos muy heterogénea, una estructura más

fina y homogénea, como resultado particularmente de la recristalización [Jordi, 2008].

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

29

La recristalización dinámica tiene lugar cuando se aplica una deformación crítica,

asociada a la densidad mínima de dislocaciones necesaria para promover la

nucleación. De todas formas, es necesaria una deformación adicional para completar

el proceso de recristalización. Se conoce la existencia de tres tipos de recristalización

durante o después del trabajo en caliente: estática, dinámica y metadinámica [31]. La

recristalización estática tiene lugar por procesos de nucleación y crecimiento de

nuevos núcleos que crecen a expensas del material deformado. La recristalización

dinámica se caracteriza porque la tensión causante de la deformación actúa junto a las

tensiones generadas por las mismas dislocaciones y solo tiene lugar cuando se

alcanza un valor crítico de la condición microestructural durante la deformación en

caliente. La recristalización metadinámica tiene lugar cuando se ha sobrepasado la

deformación crítica y ya no hay esfuerzo aplicado. Produce nuevos granos de un

tamaño superior a los obtenidos por recristalización dinámica, pero de tamaño inferior

a los obtenidos por recristalización estática (Fig. 28). En la primera etapa,

correspondiente a bajas deformaciones, tienen lugar el endurecimiento y restauración

dinámica. En la segunda etapa, gobernada por la recristalización dinámica, se produce

una caída de la tensión verdadera, correspondiente a un ablandamiento continuo

gracias a la recristalización. Finalmente, para valores elevados de deformación, tercera

etapa, se llega a un estado de equilibrio donde la microestructura es equiaxial gracias

al proceso de recristalización.

Fig. 28. Comportamiento a fluencia del Fe-γ bajo deformación a elevada temperatura.

Concluyendo, la recristalización dinámica está regida por una serie de factores: A

mayor temperatura se necesita menos tiempo para finalizar la recristalización. Por su

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30

parte la nucleación y el crecimiento de granos son dos procesos térmicamente

activados. Cuanto mayor es la deformación aplicada a un material éste recristalizará

más rápido ya que la energía de activación de la recristalización es función de la

deformación. Si los granos de partida son finos la nucleación es mayor acelerándose la

recristalización. Por otro lado, el tamaño de grano recristalizado será mayor cuanto

menor sea la deformación aplicada. Además de los factores citados anteriormente, la

composición del metal también influye en el proceso de recristalización.

2.4. Recubrimientos en los aceros AHSS

La protección anticorrosión de las carrocerías se ha convertido para la industria del

automóvil en un argumento importante expresado en forma de garantía anticorrosión.

El aumento permanente de las garantías anticorrosión lleva a los constructores y

fabricantes de equipos a buscar aceros que ofrezcan los mejores resultados en

corrosión, en particular, el uso de productos revestidos por las dos caras tiende a

generalizarse. El aumento permanente de las garantías anticorrosión lleva a los

constructores y fabricantes de equipos a buscar aceros que ofrezcan los mejores

resultados en corrosión, en particular el uso de productos revestidos por las dos caras

tiende a generalizarse. Las exigencias derivadas de la protección del medio ambiente

se acentúan, entre sus consecuencias, podemos citar la supresión de metales

pesados (como el Cromo VI) en los revestimientos (especialmente en las zonas que

puedan sufrir procesos de pulido) y en los tratamientos de superficie. La mejora de la

calidad de aspecto ofrecida por el control de los procedimientos de revestimiento por

inmersión específicos para el automóvil permite plantear el uso de estos

revestimientos para la mayor parte de las piezas visibles, de esta forma se tiene la

oportunidad de reducir los costes.

En los últimos años se han desarrollado varias soluciones de protección. Las más

habituales se pueden clasificar en 3 grupos: Revestimientos metálicos depositados en

caliente por inmersión en un baño de metal liquido (a temperaturas de hasta 700°C);

Revestimientos metálicos aplicados por galvanotecnia (a una temperatura ligeramente

superior a la ambiente); Revestimientos orgánicos de capa fina (0,5 a 6 μm) aplicados

sobre sustrato previamente protegido con un revestimiento metálico depositado por

galvanotecnia o en caliente y sometido a un tratamiento previo para aumentar la

resistencia a la corrosión y la adherencia del revestimiento orgánico. Combinando el

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

31

procedimiento de deposición, la composición química, el espesor (o el gramaje, según

la unidad que se utilice), el número de caras (monofacial o bifacial) y la capacidad para

responder a las exigencias de aspecto superficial, los fabricantes crean distintas

familias. El espesor de los revestimientos se mide de forma continua en las líneas de

revestimiento mediante galgas de rayos X que barren la banda en toda su anchura

mientras se desplaza. Además se pueden realizar otras mediciones que proporcionan

valores puntuales: Con un medidor de espesores Permascope, midiendo la diferencia

de espesor entre el producto revestido y el producto sin revestir. Por medición química,

determinando en una muestra la diferencia de peso antes y después de aplicar el

revestimiento (es la medida más precisa). Con un microscopio óptico, que permite

obtener valores muy locales de espesor del revestimiento.

En el caso de los aceros martensíticos al boro (MS) como el 22MnB5, utilizados en

estampación en caliente, generalmente llevan un prerrevestido a base de aluminio y

silicio (Al-Si), con la finalidad de proteger el metal contra la oxidación y la

descarburación durante el tratamiento térmico. Después del proceso de estampación

en caliente, el revestimiento Al-Si se transforma en el horno en una capa aleada Al-Fe-

Si, protectora y adherente. Presenta resistencia a las altas temperaturas (hasta

900°C), resistencia a la oxidación en caliente, así como gran resistencia a la corrosión

y fuerte reflectividad, siendo así un revestimiento adaptado a las aplicaciones en

ambientes corrosivos y sometidos a altas temperaturas. A su vez, otra de las ventajas

que tiene este prerrevestido de aluminio es el aumento de la resistencia a la corrosión

después de la aplicación de la capa de pintura y de esta manera evitar un tratamiento

posterior de protección contra la corrosión. El espesor del prerrevestido depositado

está generalmente comprendido entre 23 y 32 micras y se aplica de forma continua

(Fig. 29).

Fig. 29. Recubrimiento Aluminio-Silicio en AHSS.

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Deividi Nardi

32

En el caso de los aceros de doble fase (DP), utilizados en estampación a frio, los

fabricantes generalmente ofrecen revestimientos galvánicos HDGI (Hot Dip

Galvanized) o HDGA (Hot Dip Galvannealed). El HDGI se obtienen mediante

galvanizado en caliente (paso de la banda de acero por un baño de cinc liquido) sobre

un sustrato. Al calentar la tira de zinc entre 500-565 °C, y manteniendo esta

temperatura durante unos segundos, el recubrimiento de zinc, por difusión, se alea con

el hierro en acero. El resultado final es que el recubrimiento es formado por capas de

compuestos íntermetálicos de aproximadamente 90% de zinc y 10% de hierro. Un

recubrimiento HDGI es muy suave y fácil de rayar. El recubrimiento HDGA además del

baño de zinc tradicional, sufre un tratamiento térmico después del baño en

temperaturas entre 450-590 °C. Es muy duro, y por lo tanto, no es dañable

manualmente. La concentración final del hierro depende fundamentalmente del ciclo

de calefacción, ya que la tasa de difusión está en función del tiempo y la temperatura.

Los compuestos químicos del zinc y el acero, también pueden afectar el

comportamiento de la aleación, pero son secundarios en relación con el ciclo de

calefacción. Un recubrimiento galvanizado es esencialmente zinc puro, con porcentaje

entre 0,20 y 0,50 % de aluminio. El aluminio se añade, no para afectar el

comportamiento frente a la corrosión, sino para mejorar la adherencia entre el

recubrimiento y el substrato de acero o metal base durante las operaciones de

conformado posteriores.

El revestimiento electrocincado también se obtiene mediante la galvanotecnia, pero

con una capa de cinc puro, donde los espesores del revestimiento pueden tener de

forma estándar de 5 y 20 μm por cara. Su comportamiento tribológico es ligeramente

inferior al de los revestimientos en caliente, sin embargo poseen una excelente

conformabilidad intrínseca, lo que lo hace apto para las embuticiones más profundas.

Por lo tanto, es dúctil, lo que le permite soportar tasas de deformación importantes. Su

capacidad para proteger de la corrosión convierte el electrocincado en un

revestimiento utilizado para numerosas aplicaciones en la industria del automóvil.

2.4.1. Formación de fases en los recubrimientos

Desde hace mucho tiempo se sabe a respecto de las inestables reacciones de los

recubrimientos de Zinc con los procesos posteriores que involucran temperaturas

altas, como procesos estampación en caliente, procesos de soldadura o análogamente

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

33

en el taladrado por fricción donde llegamos a temperaturas pico de hasta 950°C. El

Zinc es un metal con una densidad de 7.133 g/cm3 a 20ºC, su temperatura de fusión

es de 419.45ºC y la de ebullición es 906ºC a 1 atmósfera de presión. Su densidad en

estado líquido es 6.6 g/cm3. El Zinc es muy frágil a temperatura ambiente, posee

buena ductilidad entre los 100-150ºC. Sobre esta temperatura el Zinc se vuelve frágil y

a 200ºC puede ser fácilmente transformado en polvo. Algunos investigadores atribuyen

estos cambios en las características físicas del Zinc a la presencia de impurezas, la

solubilidad de las cuales varía con la temperatura, otros, en cambio, consideran la

existencia de polimorfismo. En el caso de soldaduras láser en chapas galvanizadas o

electrocincadas, se realiza el proceso bajo una atmosfera inerte, con gas protector

como argón o Helio [Yang y Kovacevic, 2011]. Se puede también controlar con

pequeñas adiciones de Al dentro del baño de Fe-Zn durante el galvanizado de la

chapa.

Fig. 30. Diagrama de fase Fe-Zn [Vieira, 2007].

De acuerdo al diagrama de fases (Fig. 30), las fases que se forman en un galvanizado

por inmersión en caliente cuando reacciona el zinc y hierro son ή-Zn, ζ, δ1, Γ y Γ1,

(tabla 1.2). Por encima de la línea roja hay gran riesgo de formación de grietas,

fenómeno común en el proceso de estampación en caliente de chapas cincadas o

galvanizadas. En los recubrimientos típicos de galvanizado o electrocincado, los

compuestos intermetálicos de Fe-Zn se subsiguen uno a uno a medida que crece el

contenido en Fe desde ή-Zn hacia el substrato de Fe en concordancia con el diagrama

Riesgo de grietas

No hay riesgo de grietas

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de equilibrio. Así se admite que a altas temperaturas (620-672°C) la fase δ no es

distinta de δ1, y que solamente la fase δ1 existe en el sistema Fe-Zn. Las entalpías y

energía libres de formación de todos los compuestos intermetálicos son muy cercanas

unas con otras. Esto contribuye esencialmente a la inestabilidad del comportamiento

en el sistema: pequeñas perturbaciones (es decir, impurezas o pequeñas adiciones de

elementos al baño, defectos morfológicos en la superficie o inclusiones, etc.) pueden

causar repentinos e impredecibles cambios en la secuencia de precipitación de los

compuestos [Vieira, 2007]. La fase Γ es un compuesto intermetálico, debido a que no

es una fase terminal (no se ubican los extremos del diagrama), de fórmula

estequiométrica FeZn3, mientras que la fase Γ1 tiene una fórmula dada por Fe3Zn10,

siendo la más dura y frágil del sistema Fe-Zn. La fase Delta (δ) es la siguiente que

aparece al incrementarse el contenido de Zinc y contiene entre un 88 y 93% p/p de

Zinc, su fórmula estequiométrica es FeZn7. La fase ζ existe en un rango de

composiciones bastante estrecho, que está entre 94-95% p/p de Zinc, con una fórmula

estequiométrica dada por FeZn13. Su estructura monoclínica le confiere una gran

fragilidad. Por último, a altas concentraciones de Zinc se encuentra la solución sólida

ή-Zn que es prácticamente Zinc puro con una pequeña cantidad de hierro (0.008% p/p

máx.), siendo una fase muy dúctil [Kollarova, 2009].

Tabla 2. Fases del recubrimiento de Zinc.

Durante el proceso de galvanización o en un proceso posterior que involucre altas

temperaturas de la chapa, la adicción de Al dentro del baño de Fe-Zn, generalmente

resulta en una mejor estabilidad frente a defectos en el recubrimiento, pues la

inhibición de las reacciones Fe-Zn por el Aluminio conlleva a una rápida formación de

una capa muy delgada del sistema binario o ternario Fe-Al por compuestos

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

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intermetálicos, debido a la mayor afinidad del Hierro por el Aluminio que por el Zinc,

luego esta capa actúa como una barrera de difusión entre el Fe y Zn. Sin embargo, la

naturaleza exacta, composición y mecanismos de formación de esta capa, tan bien

como el exacto mecanismo de inhibición permanecen en bastante controversia. La

eficiencia de esta inhibición depende del contenido de Aluminio y de la interacción de

otros parámetros. Cuando la inhibición permanece completa, ningún compuesto

intermetálico ha sido observado entre el substrato y la fase Zn. Cuando existe menos

eficiencia, se permite una delgada capa de cristales pequeños (llamados “de grano

fino”). Luego, prismáticos cristales llamados “pillar-like” son formados, primero

aisladamente, luego en capas completas. En el caso de un típico inestable

comportamiento, locales “outbursts” de cristales divergentes de varios tamaños y

complejas estructuras toman lugar, es decir, una explosión reactiva en la interdifusión

entre el Zinc y Hierro presente en el contorno de grano. Además, la inhibición es

siempre transiente; el Aluminio incrementa el tiempo de incubación para el inicio de las

reacciones Fe-Zn, pero cualquiera sea el contenido de Aluminio en el baño, implicará

que prolongadas inmersiones llevarán a la formación de compuestos intermetálicos y

“outbursts” en la interfase. Dicho fenómeno, convierte el revestimiento en una

superficie frágil, con agrietamiento y susceptible a ocurrencia del Powdering, fenómeno

de difícil control [Kollarova, 2009].

El Powdering tiene como principales causas el exceso de formación de la fase Γ (Fig.

32), resultando en una alta concentración de Hierro en la superficie del recubrimiento,

resultando en una superficie con una elevada dureza, debido a las altas temperaturas

generadas del proceso, sea por un proceso de estampación en caliente o de

soldadura. Para valores de temperatura sobre los 550°C se puede iniciar el fenómeno

de Powdering y que para temperaturas por encima de 570°C ya existe un aumento de

espesor de la fase Γ y la reducción de la fase δ, siendo que la fase δ presenta un 50%

menos de concentración de hierro que la fase Γ.

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Fig. 31. Fenómeno de Outburst en el recubrimiento de Zinc [Vieira, 2007] (aumento

2000x).

Fig. 32. Influencia de la temperatura en la formación de la fase Γ.

El aluminio es probablemente el elemento aleatorio más influyente que se añade a los

baños del proceso por inmersión en caliente. El proceso continuo permite el uso de

una amplia gama de contenidos en Aluminio hasta incluso el 85% p/p. La presencia de

550 °C 570 °C

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

37

este elemento en el baño fundido retarda las reacciones Fe/Zn, aún en

concentraciones menores a 0.007 % p/p. Cuando es usado en pequeñas proporciones,

0.01-0.02% p/p, el Aluminio mejora considerablemente el brillo superficial, el fenómeno

se relaciona con la fuerte tendencia del aluminio y el oxigeno para combinarse y formar

Al2O3. Esto resulta en la formación de una capa de Al2O3 delgada y continua en la

superficie del recubrimiento que inhibe una mayor oxidación al actuar como una

barrera para la difusión de los átomos del Zinc y de Oxígeno [Kollarova, 2009]. Para

cantidades del orden de 0.1-0.5% p/p mejora la ductilidad del recubrimiento, como

resultado de la inhibición de compuestos intermetálicos. Una pequeña adición de

aluminio, 0.1-0.3% p/p, al baño de Zinc efectivamente reduce el espesor del

recubrimiento galvanizado. Esto se debe a la mayor afinidad que tiene por el Hierro

que con el Zinc, formándose esta suscitada capa inhibidora (Fe2Al5) muy rápidamente

en la superficie del acero en inmersión. Sin embargo, si el tiempo de inmersión excede

cierto período, denominado tiempo de incubación o de inhibición, el efecto inhibidor se

elimina y las capas intermetálicas Fe-Zn comienzan a crecer. La influencia que tiene

sobre las propiedades mecánicas se ven afectadas al agregar cantidades entre 0.1-

0.3% p/p, debido a que las frágiles capas intermetálicas son eliminadas, la adherencia

y ductilidad mejoran drásticamente. El contenido de 0.2% p/p de Aluminio en inmersión

a 460ºC durante 4 a 60 segundos o a 500ºC durante 4 a 20 segundos, la capa del

recubrimiento es muy dúctil, incluso más dúctil que el substrato de acero [Vieira, 2007].

2.4.2. Deformación y mecanismos de fractura en recubrimientos de Zinc en aceros

Investigaciones han caracterizado los procesos de daño en recubrimientos de zinc de

distintas formas: por electrodepositación y por inmersión en caliente. Los autores por lo

general tratan de relacionar datos metalúrgicos como la textura, tamaño de grano o

segregación química con el daño ocurrido a grandes niveles de deformación mecánica

y termomecánica. Diversos autores han demostrado que grietas intergranulares

pueden estar presentes en el recubrimiento de los aceros galvanizados por inmersión

en caliente previo a cualquier deformación. Estas grietas son formadas supuestamente

durante el proceso de enfriamiento después de la depositación, debido a la diferencia

entre los coeficientes de expansión térmica o entre los módulos de elasticidad del zinc

y acero. Tales grietas se abren y propagan cuando el recubrimiento es deformado.

Grietas transgranulares se observan para grandes deformaciones en algunos granos,

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Deividi Nardi

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se supone que estas son grietas de clivaje que aparecen en los granos en que el

maclaje ha ocurrido previamente. Se ha investigado acerca del efecto de la textura

cristalográfica sobre la deformación y modos de daño en recubrimientos de zinc. El

tamaño de grano también tiene un efecto sobre los mecanismos de daño en el

recubrimiento de zinc. Se ha comparado el comportamiento mecánico de dos

diferentes recubrimientos de zinc en un mismo sustrato de acero: El primero con

granos de zinc con un tamaño 20 veces más grande en el plano que el espesor del

recubrimiento (alrededor de 8 μm). El segundo recubrimiento ha sido cepillado,

constando principalmente de una recristalización parcial. El nuevo grano es de

alrededor de 30 μm. Cuando los dos son sometidos a dos diferentes ensayos

mecánicos (ensayo de tracción hasta 25% y flexión en 180º), el primer recubrimiento

de zinc sufre más daño que el segundo. También se ha estudiado el agrietamiento

intergranular, en tracción, en donde las grietas por clivaje son más numerosas

después del ensayo de flexión. Los límites de grano son visibles en muestras no

deformadas debido al acanalamiento termal, efecto asociado con el proceso de

solidificación. Después de la deformación, la abertura de muchos límites de grano se

observa tempranamente en tracción para todos los recubrimientos. Por otro lado, la

grieta por clivaje se encuentra como un activo mecanismo de fractura solamente en el

caso de carga multiaxial. Las grietas de clivaje resultaron ser numerosas en el caso de

una expansión equibiaxial y ausentes bajo una carga de tracción. El microanálisis

químico en la parte de debajo de la grieta indicó la presencia de Fe, Zn y Al. Esto

sugiere que la superficie expuesta es un compuesto intermetálico el que sirve de

interfase entre el acero y el zinc.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

39

3. Objetivos del trabajo

El presente trabajo tiene como objetivo principal el estudio de las relaciones existentes

entre el proceso de taladrado por fricción en chapas de acero de ultra alta resistencia,

evaluando las condiciones óptimas de mecanizado en función del material,

recubrimiento y el espesor empleado, verificando las alteraciones microestructurales y

las propiedades mecánicas desarrolladas durante el proceso. Para determinar las

relaciones de trabajo intrínsecas, se concentran los siguientes estudios:

1) Estudio de los parámetros de taladrado, materiales y espesor de chapa en los

resultados del proceso;

2) Estudio de la influencia del trabajo termomecánico sobre las transformaciones

microestructurales del material base en la región de deformación;

3) Estudio de los recubrimiento de las chapas de alta resistencia, con la creación

de una nueva técnica de taladrado por fricción a esos materiales, obteniendo

agujeros sin defectos con una mayor homogeneidad y mejorando las

propiedades mecánicas resultantes. Principalmente en chapas con

recubrimiento de Zinc, donde no se puede aplicar hasta el momento el proceso

de taladrado por fricción por no existir condiciones adecuadas para mantener la

integridad del material en la copa generada.

Se evalúan los resultados por las características mecánicas, físicas y dimensionales

de los agujeros, variando los parámetros de taladrado en función de los mejores

resultados obtenidos. Se estudia las fuerzas de avance, el momento torsor, la

temperatura desarrollada, los tiempos de proceso, la geometría y la calidad del agujero

Se evalúa la viabilidad de realizar el pos-proceso de roscado por deformación en los

agujeros taladrados, verificando los resultados geométricos de los roscados. Para el

estudio de la influencia termodinámica se emplea técnicas de análisis microestructural

y ensayos de microdurezas.

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Deividi Nardi

40

4. Procedimiento experimental

4.1. Metodología

Ensayos experimentales en el taladrado por fricción fueron llevados a cabo para la

validación de los resultados esperados por el estudio. Distintos parámetros de entrada

fueron definidos en función de diferentes niveles de introducción de energía térmica y

deformación en las amuestras de estudio. Como parámetros de trabajo fueron

considerados la velocidad de avance, la rotación del husillo y en el caso de las chapas

con recubrimiento (DP600 GA) fue introducido un innovador proceso de taladrado por

fricción bajo atmosfera inerte, variando así también el caudal de gas aplicado. Con el

aumento de la velocidad de avance se consigue mayores tasas de deformación y con

el aumento de rotaciones de husillo se incrementa la energía fornecida al material.

Se han evaluado los resultados por las características mecánicas, físicas y

dimensionales de las copas, variando los parámetros de entrada en función de los

mejores resultados obtenidos. Fueron monitoreadas las fuerzas de avance, el

momento torsor, la temperatura desarrollada, el tiempo de proceso y la geometría de la

copa. El estudio de la influencia termodinámica fue realizado con el empleo de

técnicas de análisis microestructural y ensayos de microdureza.

Se diseñó una campaña de ensayos en la que se reflejaron los principales parámetros

que afectan al proceso, espesor del material, velocidad de giro y velocidad de

penetración de la herramienta. Los valores de avance y rotación del husillo utilizados

en los experimentos fueron predeterminados por ensayos preliminares. Las

velocidades de avance se han situado entre 40 a 400mm/min para los aceros con

recubrimientos y entre 130 a 400mm/min para los aceros sin recubrimientos. Cada

velocidad de avance se ha combinado con una determinada rotación del husillo,

siendo estas de 1500, 2000, 2500 y 3000rpm, aplicándose en 4 distintos materiales.

Todos los ensayos fueron realizados con una herramienta de taladrado por fricción de

diámetro 8mm y posteriormente fue confeccionada una rosca M8. Los cuerpos de

prueba fueron preparados de acuerdo con la medida del útil que fue construido para

los ensayos.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

41

4.2. Parámetros de taladrado

A partir de los resultados obtenidos en los ensayos preliminares fueron seleccionados

los valores de velocidad de avance y rotación del husillo. El tamaño de la copa inferior

y el collar (rebaba) superior generados por el proceso depende del espesor de la

chapa y las condiciones de taladrado. Con mayor espesor de chapa mayor es el

volumen de material conformado y consecuentemente mayor la copa generada, sin

embargo sólo una medida de herramienta fue utilizada en los ensayos, independiente

del espesor de la chapa de prueba. El recorrido en el eje z de la máquina herramienta

depende del espesor de la chapa.

En el caso de las chapas con recubrimiento, debido a la problemática de realizar dicho

proceso y sus consecuentes fallos de agrietamiento generados en la copa, fue

utilizado un innovador proceso de taladrado por fricción bajo atmosfera inerte, con

aplicación de gas argón puro, en distintos caudales combinados con todos los avances

de herramienta y rotación del husillo.

Para la realización del roscado posterior al taladrado por fricción, ese fue realizado en

la rotación de 300 rpm. El empleo de distintas velocidades de rotación ha tenido como

objetivo de no introducir más variables, que aumentaría el número de análisis a ser

realizadas incrementando el tiempo y los costes del trabajo. Fue empleado apenas un

macho de roscado por laminación en todos los ensayos, empleándose lubricante

externo específico para refrigerar y lubricar la superficie de laminación.

Tabla 3. Condiciones del proceso de taladrado por fricción empleadas en los ensayos ( * material con recubrimiento de Zinc).

Parámetros

Velocidad de giro (rpm) 1500, 2000, 2500, 3000

Velocidad de Avance (mm/min)

40*, 60*, 80*, 100*, 110*, 130, 140, 170, 180, 210, 220, 230, 240, 270, 280, 310, 320, 330,

340, 370, 380, 400

Espesor de chapa (mm) 1.2, 1.6, 2.0

Caudal gas (lts/min) 5, 10, 15, 20, 25

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Deividi Nardi

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4.3. Materiales empleados en los experimentos

Cuatro variantes de los aceros doble fase fueron probadas en este ensayo y con 3

distintos espesores: el DP600 GA con 1.2mm de espesor con recubrimiento de cinc

galvánico, el DP600 con 1.2mm de espesor sin recubrimiento, el DP800 con 1.6mm de

espesor sin recubrimiento y el acero martensítico al boro (22MnB5) Usibor©1500 con

2mm de espesor con recubrimiento Al-Si. En la tabla 4.2 podemos ver la composición

química de los materiales empleados, fornecidos por el fabricante ArcelorMittal.

Las probetas no han sufrido cualquier calentamiento o deformación durante su

preparación para los experimentos. Se obtuvieron de las chapas de partida, cortando

trozos de 45x300mm con la ayuda de una cortadora metalográfica de precisión. Las

probetas del material Usibor©1500 fueron preparados y cortados a las mismas

dimensiones a partir de un poste B de una carrocería de un automóvil, que durante su

proceso de fabricación ha sido sometido a su típico tratamiento térmico seguido de

temple durante la operación de estampación en caliente.

Tabla 4. Composición química de los materiales empleados

Material C Si Mn P S Cr Al Ti B

DP600 0.09 0.25 1.93 0.02 0.005 0.21 0.034 - -

DP600 GA 0.09 0.25 1.93 0.02 0.005 0.21 0.034 - -

DP800 0.16 0.25 1.90 0.02 0.005 0.50 0.015 - -

Usibor© 1500 0.25 0.35 1.40 - 0.001 0.30 - 0.05 0.005

En relación a los recubrimientos, en el caso de las chapas del acero Usibor©1500,

utilizados en estampación en caliente, presenta un revestido a base de aluminio y

silicio (Al-Si), con la finalidad de proteger el metal contra la oxidación y la

descarburación durante el tratamiento térmico. El espesor total del revestimiento es de

35 a 45μm en cada cara, con una capa de interface de 15μm. Según los fabricantes, el

revestimiento presenta una resistencia a las altas temperaturas de hasta 900°C,

resistencia a la oxidación en caliente, así como gran resistencia a la corrosión. En el

caso del recubrimiento de la chapa de acero DP600 GA, presenta un revestimiento de

cinc puro en las dos caras de la chapa, que se obtiene mediante galvanizado en

caliente (paso de la banda de acero por un baño de cinc liquido). El espesor de

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

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revestimiento en cada cara de la chapa presenta valores de 7 a 9 μm.

4.4. Herramientas y lubricantes

La herramienta de taladrado empleada es de carburo de tungsteno con matriz de

cobalto, de la marca Formdrill©, sin recubrimiento. Los fabricantes ofrecen la aplicación

de recubrimientos a la herramienta para incrementar la resistencia al desgaste, el

coeficiente de fricción y modificar la conductividad térmica de la herramienta. Se han

realizado trabajos basados en la experimentación de distintos tipos de recubrimientos

de herramientas de taladrado por fricción [Miller et al., 2007]. La geometría de la

herramienta de taladrado está dividida en 6 secciones (Fig. 33).

Fig. 33. Diseño de la herramienta de taladrado por fricción y sus dimensiones.

a) Zona de centrado: es una superficie cónica definida por un ángulo de valor elevado

y una altura reducida para dotar de mayor robustez a esta zona de la herramienta. Se

trata de la superficie que contacta primeramente con el material, donde se generan los

mayores esfuerzos axiales del proceso y la generación de calor como consecuencia de

la fricción tiene comienzo.

b) Zona cónica: esta superficie de la herramienta tiene un ángulo más agudo que la

zona de centrado. La herramienta en esta zona, como consecuencia del giro, fricciona

con el material de la pieza, produciendo calor para facilitar la deformación del material.

Combinando este fenómeno, con el movimiento de avance de la herramienta, permite

penetrar y generar la copa.

c) Zona cilíndrica: esta sección determina el diámetro máximo del agujero y la longitud

de la zona cilíndrica de la copa.

d) Zona del rompevirutas: consiste en una región de sección triangular que al contacto

Zona Mango, h s

Zona Apoyo

Zona Rompevirutas

Zona Cil í ndrica, h l

Zona C ó nica, h n

Zona Centrado, h c

α

β

Ø c

Ø s h s 15 mm

Ø s 8 mm

h l 5.4 mm

Ø c 7.3 mm

h n 7.6 mm

h c 0.9 mm

40 º

90 º

h s 15 mm

Ø s 8 mm

h l 5.4 mm

Ø c 7.3 mm

h n 7.6 mm

h c 0.9 mm

β 40 º

α 90 º

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el material lo deforma previamente a arrancarlo. De esta manera se elimina el material

que ha fluido hacia la parte superior de la pieza y proporciona una mejor superficie.

e) Zona del apoyo: proporciona una superficie de apoyo contra la pinza del

portaherramientas o contra el portaherramientas directamente e impide el

desplazamiento axial de la herramienta como consecuencia de las fuerzas axiales

resultantes durante la proceso.

f) Zona del mango: consiste en una superficie cilíndrica. La finalidad de esta zona es

permitir la sujeción la herramienta de taladrado al husillo de la máquina a través de un

portaherramientas (Fig. 34).

Fig. 34. Herramienta de taladrado en el portaherramientas.

Los fabricantes de herramientas de taladrado por fricción aconsejan la utilización de

lubricantes, como el Flowdrill® FDKS, que prolongan la vida útil de las herramientas,

pero su aplicación es aconsejable para ciertos materiales, como aluminio, cobre y latón

que fácilmente se adhieren en la superficie de la herramienta. Durante los

experimentos no fue utilizado cualquier lubricante o refrigerante en la herramienta de

taladrado por fricción. Para la realización del roscado por laminación, fue utilizado un

macho con una sección poligonal, compuesta de 5 aristas, del fabricante Flowdrill®,

fabricado en acero rápido con revestimiento superficial duro de nitruro de titanio y se

ha introducido un suministro externo manual de lubricante-refrigerante, con el fin de

refrigerar y lubricar de forma segura la superficie de laminación, utilizado un aceite con

adictivos de alta presión del fabricante Flowdrill® tipo FTMZ.

4.5. Máquina herramienta y utillaje

Los ensayos se llevaron a cabo en un centro de mecanizado vertical de tres ejes,

gobernados por control numérico. Se trata de una máquina Kondia© modelo K76,

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

45

siendo capaz de alcanzar 4000 rpm. Fue necesario el diseño de un utillaje para la

sujeción de las probetas durante los ensayos. Este utillaje permitió alinear la probeta

con los ejes de la máquina y evitar la deformación de la pieza durante la operación de

taladrado por fricción (Fig. 35). El útil para soporte de la chapa fue construido

especialmente para el experimento, en cuerpo de aluminio, fijando una única probeta a

través de dos mordazas con cuatro tornillos M6.

Fig. 35. Esquema del ensayo de taladrado en la máquina herramienta.

4.6. Utillaje para el taladrado por fricción con atmosfera inerte

En el caso del taladrado en condición de atmosfera inerte, aplicado en los aceros con

recubrimientos de Zinc (DP600 GA), fue modificado el útil de soporte de la chapa

añadiéndolo boquillas de gas. Fue probado distintas configuraciones de boquillas para

aplicar gas argón en la parte inferior de la chapa, es decir, en la zona de formación de

la copa. A partir de resultados obtenidos en ensayos preliminares fueron

seleccionados 3 diferentes configuraciones para la salida del gas: Boquillas laterales,

boquilla coaxial y boquilla central inferior. Los experimentos preliminares han resultado

que inicialmente las copas generadas con menos fallos fue la configuración con

boquilla central inferior, así pues fue desarrollado y optimizado el utillaje con esa

configuración conjugada con todos los valores de avance de herramienta, rotación de

Útil de soporte chapa

Probeta

Herramienta de taladrado

Pirómetro

Mesa Dinamométrica

Amplificador de

carga multicanal

Máquina Herramienta

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husillo y caudal de gas anteriormente comentados. El gas inerte (fue utilizado argón

puro, aunque podría ser helio) es generado con un caudal constante, direccionado

hacia la parte inferior de la chapa a través de la boquilla, fijada en la parte interna del

útil, siendo el caudal constante durante todo el proceso. En los ensayos

experimentales se ha comprobado y optimizado en función de los resultados de

calidad dimensional y microestructural de los agujeros la mejor geometría y dimensión

de la boquilla de salida del gas. En relación a los gases utilizados, el argón

proporciona generalmente una atmosfera más inerte de mejor protección frente a la

oxidación, además presenta un menor coste en comparación con el helio. El

accionamiento y parada del gas protector se activa manualmente.

Fig. 36. Útil de soporte de la chapa. a) Configuración de la boquilla de gas lateral. b)

Configuración de la boquilla de gas coaxial. c) Configuración de la boquilla de gas

central inferior.

La boquilla lateral (Fig. 36a) está compuesta por 4 toberas de salida de gas con 8mm

de diámetro interno. La boquilla coaxial (Fig. 36b) fue probada en dos distintas

configuraciones, una con 8mm de diámetro interno y una segunda con 10mm con

diámetro interno, sin embargo los resultados desde el punto de vista geométrico y

microestructural de la formación de las copas no han sido satisfactorios en ambas

configuraciones. La boquilla central inferior presenta un ángulo de punta de 45° en la

salida del gas y con un diámetro interno de 8mm (Fig. 36c), así como la distancia entre

la chapa y la extremidad de la boquilla que se fija en 10mm, para todos los caudales

de gas y espesores de chapa. En los experimentos preliminares en las otras

configuraciones fueron observadas la formación de grietas en las copas causado por la

no protección total del gas inerte. Así pues, la configuración final de boquilla central

inferior fue aplicada en los ensayos (Fig. 37), generando un proceso más estable de

taladrado por fricción en aceros con recubrimientos de cinc.

b c a

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

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Fig. 37. Esquema del ensayo del taladrado en atmosfera inerte.

Durante el procedimiento de la invención, ensayos preliminares fueron realizados para

obtener los parámetros de rotación, avance de la herramienta y caudal de gas. Como

valores iniciales de estudio, se ha utilizado los mismos valores de rotación del husillo y

velocidad de avance de herramienta de las chapas sin recubrimientos. Se ha utilizado

un caudal de gas entre 5-25 lts/min. El procedimiento se ha llevado a cabo en un

entorno donde se evita las corrientes de aire externas durante el taladrado. El material

no debe calentarse hasta la temperatura de evaporación del recubrimiento de zinc,

fenómeno que puede ocurrir si durante el proceso de taladrado se utiliza herramientas

desgastadas, pues en función del número alto de agujeros se aumenta la fricción por

una precaria calidad superficial de la herramienta.

4.7. Medición de la fuerzas de avance y momento

La caracterización de las fuerzas del proceso-herramienta-material es de gran utilidad,

ya que permiten entender la interacción del proceso de fricción y corte de la rebaba

superior. En la medición de la fuerza de empuje y del momento se empleó una mesa

dinamométrica Kistler©, modelo 9255B, que permite la medición de la fuerza de

empuje de manera directa. Para la medición del par se deben considerar las

contribuciones de las fuerzas en las direcciones X e Y, tanto en módulo como en

dirección, en cada uno de los piezoeléctricos y multiplicarlas por la distancia al centro

de la mesa. Para la correcta medición de par y la fuerza durante el taladrado es

indispensable que el centro del taladro coincida con el centro geométrico del

dinamómetro, puesto que los piezoeléctricos son equidistantes al centro del

Entrada de

gas argón

Probeta

Utillaje

Herramienta de taladrado

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dinamómetro. Para garantizar este requisito de medición, se diseñó un utillaje de

centrado. Las señales de los piezoeléctricos son sumadas analógicamente y

amplificadas a un voltaje proporcional. Estos voltajes son acondicionados, visualizados

y grabados en tiempo real mediante el analizador LMS© Scada Mobile con el uso del

un equipo de cómputo (Fig. 38).

Fig. 38. Equipamiento necesario para la monitorización de la fuerza de avance y del momento.

4.8. Geometria y calidad del taladrado

El diámetro del agujero, la profundidad total y los espesores del agujero, se ven

afectados por la elección de los parámetros de taladrado. Se realizó un corte

transversal de los agujeros, de manera que la medición de las características

anteriormente mencionadas se pudo hacer de manera sistemática y precisa. Para

caracterizar el espesor de la copa se realizaron mediciones a determinadas

profundidades (Fig. 39). Se emplea un microscopio de medida, Mitutoyo© TM-100, que

dispone de una óptica de treinta aumentos. La mesa del microscopio va equipada con

dos cabezas micrométricas Digimatic©, una en cada eje de movimiento, cuyas

características permiten asegurar que las mediciones, posicionamientos y ajustes finos

puedan llevarse a cabo con facilidad. Esto le hace perfecto para medir las

características de las copas. Mediante el empleo de un micrómetro de interiores

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

49

Mitutoyo©, se realiza la medición de los diámetros de los agujeros. Se ha abordado

separadamente los aceros, primero los aceros sin recubrimiento (DP600 y DP800) y

posteriormente los aceros con recubrimiento (DP600 GA y Usibor© 1500).

PT e3

e4

e2

e1

3.5

mm

4 m

m 2.5

mm

3 m

m

Ø

Fig. 39. Sección transversal de la copa generada y las mediciones realizadas.

4.9. Medición de la temperatura

La temperatura alcanzada por la pieza es un factor importante en la formación del

agujero. Cuando la temperatura alcanzada durante el proceso de taladrado por fricción

es baja, la copa experimenta un mayor número de fracturas, desplazando el material

en dirección radial al agujero. Por otro lado, cuando la temperatura alcanzada por la

pieza es mayor, la copa adquiere una forma más cilíndrica. Las temperaturas

generadas en el proceso de taladrado fueron recogidas mediante el empleo de un

pirómetro de dos colores, modelo Impac© IGAR 12 LO, el cual puede medir

temperaturas comprendidas en el rango de 350ºC hasta 1300ºC. La captura de la

señal se realizó en tiempo real con la ayuda de un ordenador y el software específico

para la marca y modelo del pirómetro empleado (Fig. 40).

Fig. 40. Equipamiento para la medición de temperaturas.

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4.10. Medición de dureza

Debido a la presencia de deformación y aumento de temperatura en la zona

termomecánicamente afectada del agujero final, ocurren diferentes cambios

microestructurales, como las transformaciones de fases, recuperación o

recristalización. Para el análisis de este fenómeno, fue utilizado como herramienta un

durómetro de microdureza VICKERS, del fabricante Future-Tech, modelo FV-700e,

con una precarga de 490,3 N. La microdureza media en el material base de cada

amuestra fue determinada midiéndose en regiones distintas, en la línea central de la

chapa. En la región afectada térmicamente cerca de la superficie interna del agujero,

mediciones fueron realizadas en cada amuestra a una distancia de 0.5mm desde la

superficie del agujero (Fig. 41).

Fig. 41. Puntos de medida de la microdureza.

4.11. Análisis Metalografíco

En el estudio de las transformaciones microestructurales impuestos al material por el

proceso, fueron realizadas análisis microestructurales cualitativas y cuantitativas en las

secciones transversales de las probetas taladradas, en las mismas áreas de la

medición de microdurezas anteriormente comentadas. La caracterización

microestructural de los aceros consistió en la obtención de la fracción volumétrica de

las dos fases presentes (ferrita y martensita), con la ayuda del software de análisis de

imágenes acoplado a un microscopio óptico Nikon. Una vez preparadas las amuestras,

se tomaron imágenes en toda su longitud y se han analizado las variables

microestructurales por su tamaño de forma. Para el análisis de componentes químicos

en la superficie de los materiales, fue empleado un microscopio electrónico de barrido

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

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modelo JEOL JSM-6400 operando a 20 kW. El equipo presenta un detector de rayos x

de energía dispersiva del fabricante EDX Oxford Instruments, en conjunto con el

software analizador INCA. La longitud de trabajo de las imágenes y haz de corriente es

de 0.12 nA. Para el analizador EDX la longitud de trabajo es de 15mm y el haz de

corriente de 1 nA.

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5. Resultados experimentales

Los resultados obtenidos en los experimentos en términos de fuerzas de avance y

momentos generados por la herramienta se presentan inicialmente, seguidos por los

resultados de la evaluación de la geometría y calidad de las copas obtenidas.

Posteriormente, se presentan las mediciones de temperaturas, las transformaciones

microestructurales y las mediciones de microdurezas resultantes. En la última parte se

presentan los resultados de calidad del roscado por laminación y los resultados de los

tiempos del proceso de taladrado.

5.1. Momento y esfuerzo en el proceso

A través de la experimentación se observa un incremento tanto de la fuerza de empuje

como del par cuando el espesor de la chapa aumenta. Esto se debe a que el volumen

de material a reblandecer y la resistencia a la deformación aumentan con el espesor,

lo que conlleva al aumento de las fuerzas de empuje. En cuanto al momento, cuando

aumenta el área en contacto entre la parte de la copa y la herramienta, se genera

mayores fuerzas de fricción resultando en un incremento de momento.

Para un espesor de pieza y velocidad de rotación constate, al incrementar el avance,

las fuerzas de empuje o de avance (axiales) son mayores. Esto se debe a la

disminución del tiempo de contacto entre pieza y herramienta. Se genera menos calor

para ablandar el material. Así mismo, cuando se incrementa la velocidad de rotación,

manteniendo el avance constate, el valor de las fuerzas de avance y del momento

disminuyen. En ambos materiales y espesores, las mayores fuerzas axiales y pares

resultantes fueron con el máximo avance (400mm/min) combinado con la mínima

rotación de taladrado (1500rpm). En ensayos preliminares se ha comprobado que la

presencia de recubrimientos no genera mayores fuerzas de avance o momentos, así

pues, se ha medido solo las fuerzas de la chapa DP600 sin recubrimiento. En la tabla

5.1 se presentan los valores máximos de fuerza de avance y momento entre distintos

materiales obtenidos en los experimentos. A continuación, se discute los resultados

experimentales del acero DP600, el DP800 y el acero Martensitico.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

53

Tabla 5. Valores de fuerzas y momentos máximos (1500rpm y 400mm/min).

Material Fuerza de avance (N) Momento torsor (Nm)

DP600 1780 5.5

DP800 2900 6.8

Usibor© 1500 6500 9.4

Los mayores valores encontrados de fuerzas y momentos para una combinación del

máximo avance con la mínima rotación de ensayo, para la chapa DP 600, un valor de

1780 N de fuerza de avance y 5.5 Nm de momento axial (Fig. 42 y 43). Se observa

que los esfuerzos y momentos que se realizan durante la penetración de la

herramienta son variables.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1 2 3 4 5 6

Fu

erz

as

(N

)

Fig. 42. Fuerza de avance del acero DP600 (espesor de chapa 1.2mm y 210mm/min de avance de la herramienta).

Cuando la punta de la herramienta fricciona con la superficie de la chapa al mismo

tiempo que avanza, la fuerza de avance se incrementa. Se alcanza el máximo de la

fuerza de avance, aumentando la temperatura del material y disminuyendo la

resistencia de deformación. A continuación, a medida que se avanza, aumenta la

superficie de contacto entre la parte cónica de la herramienta y la chapa provocando

un aumento de la fricción entre ambas superficies, aumentando el momento. La zona

cilíndrica de la herramienta entra en contacto con la parte superior del agujero, lo que

produce un leve incremento de la fuerza de avance y un aumento rápido en el

momento. La fuerza de avance y el momento suben al final del proceso pues la zona

de rompevirutas de la herramienta aplasta el collar superior al mismo tiempo que es

1500 rpm

2000

2500 3000

Tiempo de contacto (s)

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Deividi Nardi

54

arrancada una parte y en algunos caso se puede generar una pequeña viruta. Al final,

hay el retroceso de la herramienta, donde la fuerza de avance disminuye rápidamente

hasta cero aunque existe una ligera fricción entre pieza y herramienta como se refleja

en la medición del momento obtenido.

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6

Mo

me

nto

(N

m)

Fig. 43. Momento en el acero DP600 (espesor de chapa 1.2mm y 210mm/min de avance de la herramienta).

En la chapa DP 800, el comportamiento de los valores de fuerza de avance y momento

fueron mayores en comparación con el acero DP600 con 1.2mm de espesor, queda

evidenciada la influencia del espesor del material. Para la chapa DP800 con 1.6mm de

espesor se han obtenidos valores máximos de 2900 N de fuerza de avance y 6.8 Nm

de momento axial (Fig. 44 y 45).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1 2 3 4 5 6

Fu

erz

as

(N

)

Fig. 44. Fuerza de avance del acero DP800 (espesor de chapa 1.6mm y 210mm/min de avance de la herramienta).

2000

1500 rpm

2500

3000

Tiempo de contacto (s)

1500 rpm

2000

2500

3000

Tiempo de contacto (s)

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

55

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6

Mo

me

nto

(N

m)

Fig. 45. Momento en el acero DP800 (espesor de chapa 1.6mm y 210mm/min de avance de la herramienta).

En la chapa martensitica Usibor© 1500, el comportamiento de la fuerza de avance fue

similar en comparación con el acero DP600 y DP800 (Fig. 46). Sin embargo, el valor

del momento torsor presenta una pequeña variación entre la mínima y la máxima

velocidad de avance. Además, se ha obtenido elevados valores de fuerza de avance

en los altos avances de herramienta, llegando a 6500 N de fuerza de avance y 9.4 Nm

de momento axial para la chapa de 2.0mm de espesor (Fig. 47).

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 1 2 3 4 5 6

Fuerz

as (

N)

Fig. 46. Fuerza de avance del acero Usibor© 1500 (espesor de chapa 2.0mm y 210mm/min de avance de la herramienta).

1500 rpm

2000

2500

3000

Tiempo de contacto (s)

Tiempo de contacto (s)

1500 rpm

2000

2500

3000

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Deividi Nardi

56

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6

Mo

me

nto

s (

Nm

)

Fig. 47. Momento en el acero Usibor© 1500 (espesor de chapa 2.0mm y 210mm/min de avance de la herramienta).

Para una mayor vida útil de la herramienta, tenemos que lograr un compromiso entre

las fuerzas y la temperatura. Cuanto menor las cargas y temperaturas impuestas en

las herramientas, mayor la vida útil de las mismas. Así pues, en ambos materiales y

espesores, las menores fuerzas axiales y pares resultantes fueron con el mínimo

avance de ensayo (130mm/min) combinado con la máxima rotación de taladrado

(3000rpm) (tabla 5.2).

Tabla 6. Valores de fuerzas y momentos pico mínimos (3000rpm y 130mm/min).

Material Fuerza de avance (N) Momento torsor (Nm)

DP600 1250 1.5

DP800 2100 1.8

Usibor© 1500 3500 8.2

5.2. Geometría y calidad del taladrado

El comportamiento del proceso de taladrado por fricción debe ser analizado por los

resultados de trabajo, que son las grandezas y medidas evaluadas tras el término de

los ensayos. La forma del agujero producido puede variar de acuerdo con los

parámetros de entrada utilizados. La calidad de la copa generada fue analizada en

términos de longitud, espesor de pared y diámetro del agujero. Comparando los

resultados se ha comprobado que los parámetros de trabajo influencian el espesor y

longitud de la copa. Para un mismo espesor de pieza, el aumento en la velocidad de

giro de herramienta provoca un incremento del calor generado en el proceso. Esto

Tiempo de contacto (s)

1500 rpm

2000

2500

3000

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

57

contribuye a la generación de copas de mayores longitudes. El incremento de la

velocidad de avance, manteniendo constante la velocidad de giro de herramienta,

genera copas de menor longitud, ya que el tiempo de contacto entre la herramienta y

el material es menor, se genera menos calor y la facilidad para que el material fluya

disminuye.

5.2.1. Geometría y calidad de la copa en los aceros sin recubrimientos

En la chapa DP600 de 1.2mm de espesor, en las mediciones realizadas se observa

que el espesor e1 y e2 tienen un valor similar aunque e2 es ligeramente superior.

Seguidamente el espesor e3 es inferior a e1 y el espesor e4 es el menor de todos. Los

espesores de la copa se han medido sistemáticamente (Fig. 39).

0,8

0,9

1

1,1

100 150 200 250 300 350 400 450

1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

e1

0,8

0,9

1

1,1

100 200 300 400

Velocidad Avance (mm/min)

Esp

eso

r (m

m)

e3

0,8

0,9

1

1,1

100 200 300 400

Velocidad Avance (mm/min)

Es

pe

so

r (m

m)

e2

0,8

0,9

1

1,1

100 200 300 400

Velocidad Avance (mm/min)

Es

pe

so

r (m

m)

e4

0,7

0,8

0,9

100 200 300 400

Velocidad Avance (mm/min)

Esp

eso

r (m

m)

Fig. 48. Influencia de los parámetros de taladrado en el espesor de la copa (DP600,

1.2mm de espesor).

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Deividi Nardi

58

Los espesores e1 y e2 son mayores para velocidades de rotación bajas y no se ven

afectados de manera significativa por el aumento de la velocidad de avance empleada.

Los espesores e3 y e4 son mayores para velocidades de giro altas, al aumentar el calor

generado en el proceso facilita la deformación del material (Fig. 48). Así pues, los

espesores están influenciados por la velocidad de avance, a medida que aumenta la

velocidad de avance los espesores medidos son mayores. Los aceros sin

recubrimientos DP600 y DP800 han tenido resultados de comportamiento de

formación de espesores similares entre sí.

La longitud de la copa (Pt) se obtiene en función de la velocidad de giro de la

herramienta y de la velocidad de avance empleada (Fig. 49). Se observa que la

longitud de la copa está relacionada directamente con el espesor inicial de la pieza. En

la chapa DP800 de 1.6mm de espesor se han generado mayores longitudes de copa

en comparación con la chapa DP600 de 1.2mm de esperor. Para velocidades de

avance lentas, el tiempo en contacto entre material y herramienta es mayor, por lo que

la temperatura alcanzada en el proceso es superior a la temperatura obtenida cuando

el avance es máximo, generando mayores longitudes de copa. Igualmente cuando

tenemos altas rotaciones de herramientas y la temperatura alcanzada en el proceso es

superior a la temperatura obtenida cuando la rotación es baja, generando así también

mayores longitudes de copa.

0,8

0,9

1

1,1

100 150 200 250 300 350 400 450

1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

e1

0,8

0,9

1

1,1

100 200 300 400

Velocidad Avance (mm/min)

Esp

eso

r (m

m)

e3

0,8

0,9

1

1,1

100 200 300 400

Velocidad Avance (mm/min)

Es

pe

so

r (m

m)

e2

0,8

0,9

1

1,1

100 200 300 400

Velocidad Avance (mm/min)

Es

pe

so

r (m

m)

e4

0,7

0,8

0,9

100 200 300 400

Velocidad Avance (mm/min)

Esp

eso

r (m

m)

Fig. 49. Longitud total de la copa (Pt) del acero DP600 con 1.2mm de espesor y del

acero DP800 con 1.6mm de espesor .

Otro punto importante es la medición del diámetro del agujero. Se ha comprobado que

la velocidad de avance y rotación de herramienta influyen en el diámetro de agujero,

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

59

comportamiento similar al anterior (Pt) donde la longitud de la copa es mayor cuanto

mayor la temperatura. Los mismo ocurre con el diámetro, cuanto mayor la rotación de

herramienta y menor la velocidad de avance, mayores diámetros de agujero se

obtienen (Fig. 50). Además, cuando se estudia el diámetro de los agujeros realizados

por medio de una herramienta con filo de corte, se comprueba que la dimensión del

diámetro va disminuyendo como consecuencia del desgaste de la herramienta. En el

proceso de taladrado por fricción, se experimenta justo lo contrario, como

consecuencia del proceso el material de la pieza taladrada se va adhiriendo a la

superficie de la herramienta lo que provoca un incremento progresivo en la dimensión

del diámetro del agujero.

DP 800

7.38

7.39

7.4

7.41

7.42

7.43

7.44

7.45

100 200 300 400

Velocidad de Avance (mm/min)

Diá

me

tro

(m

m)

S3000 S2500 S2000 S1500

DP 600

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

0 1 2 3 4 5

Posición (mm)

Du

reza

(H

V)

S1500

S2000

S2500

S3000

Fig. 50. Influencia de los parámetros de taladrado en el diámetro del agujero.

5.2.2. Geometría y calidad de la copa en los aceros con recubrimientos

El diámetro, la longitud total y los espesores de la copa del agujero, se ven afectados

por la elección de los parámetros de taladrado, sin embargo en el caso de los aceros

con recubrimientos, (DP600 GA con recubrimiento de Zinc y el Usibor© 1500 con

recubrimiento Al-Si) presentan revestimientos distintos del material base, pudiendo así

afectar la calidad dimensional y superficial de las copas. En el estudio de dichos

materiales, se ha analizado los resultados con un enfoque direccionado a los fallos

superficiales que afectan las calidades dimensionales finales de las copas y la

integridad de los revestimientos en la copa realizada.

En el acero Usibor© 1500, el comportamiento dimensional de deformación ha sido

similar en relación al acero sin recubrimiento DP800. Se ha comprobado del mismo

modo, que para un mismo espesor de pieza, el aumento en la velocidad de giro de

herramienta provoca un incremento del calor generado en el proceso, contribuyendo a

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Deividi Nardi

60

la generación de copas de mayores longitudes, así como el incremento de la velocidad

de avance que genera copas de menor longitud, ya que el tiempo de contacto entre la

herramienta y el material es menor, generando menos calor y la facilidad para que el

material fluya decrezca (Fig. 51). En los experimentos, no se ha presentado fallos

superficiales que comprometan la geometría del agujero, sin embargo en ciertos

parámetros de taladrado se ha dañado el acabado superficial del revestimiento

generando micro grietas superficiales, causado por las altas temperaturas alcanzadas

durante el proceso, pero sin comprometer las medidas internas de las copas.

44,555,56

100 200 300 400

Feed Rate (mm/min)

Dep

th (

mm

)

1500 rpm

2000 rpm

2500 rpm

3000 rpm

1500 rpm

2000 rpm

2500 rpm

3000 rpm

Espesor 1.5 mm

4,5

5

5,5

6

100 200 300 400

Velocidad de Avance (mm/min)

PT (

mm

)

Espesor 2 mm

5,5

6

6,5

100 200 300 400

Velocidad de Avance (mm/min)

PT (

mm

)

DP 600

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

0 1 2 3 4 5

Posición (mm)

Du

reza

(H

V)

S1500

S2000

S2500

S3000

Fig. 51. Longitud total de la copa (Pt) del acero Usibor© 1500 con 2.0mm de espesor.

En relación a la calidad del recubrimiento de las copas en las chapas Usibor©

1500,

estas presentan un recubrimiento a base de aluminio y silicio (Al-Si), que tiene como

finalidad de proteger el metal contra la oxidación, presentando una resistencia a las

altas temperaturas de hasta 900°C con un espesor del revestimiento comprendido

entre 23 y 32 micras. Sin embargo, las temperaturas obtenidas en los experimentos

han sido extremadamente altas (hasta 1125°C), debido al espesor y las características

mecánicas del material, en las condiciones de mínima velocidad de avance y máxima

rotación de herramienta, donde el tiempo de contacto entre material y herramienta es

mayor, por lo que la temperatura alcanzada en el proceso es superior a la temperatura

obtenida cuando el avance es máximo. Se ha comprobado la generación de

microgrietas por encima de los 950°C (Fig. 52), cuando se supera 2000 rpm. En el

capítulo de análisis metalografíco se muestran mayores detalles de dicho fenómeno.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

61

Fig. 52. Vista frontal y en corte de la copa genera en el acero Usibor© 1500.

En el acero DP600 GA con recubrimiento de Zinc, los resultados geométricos y de

calidad superficial obtenidos con los mismos parámetros de velocidad de avance y

rotación del husillo de los materiales sin recubrimientos no han sido aceptables en

términos de calidad, pues micro y macrogrietas fueron verificadas por la presencia de

Zinc en la superficie de la copa. Así pues, la aplicación del proceso de taladrado por

fricción bajo atmosfera inerte ha disminuido la oxidación y eliminado la formación de

defectos, estabilizando el proceso de formación de fases del recubrimiento de Zinc. Es

notable la diferencia si comparamos una copa generada sin atmosfera protectora,

donde incluso se ha verificado la formación de pétalas, (Fig. 53a) con la copa

generada bajo atmosfera protectora (Fig. 53b). A continuación, se explica el

procedimiento de la obtención de copas sin defectos geométricos o superficiales por el

proceso de taladrado en atmosfera protectora.

Fig. 53. Comparación entre las copas generadas en el taladrado por fricción. (Acero

DP600 GA con avance de 60 mm/min y rotación de 1500rpm). a) Sin atmosfera

protectora. b) Con atmosfera protectora (gas argón a 15 lts/min).

Son comunes las inestables reacciones de los recubrimientos de Zinc con los procesos

posteriores que involucran temperaturas altas, como en el taladrado por fricción donde

llegamos a temperaturas pico de hasta 950°C. De acuerdo al diagrama de fases (Fig.

30), las fases que se forman en un galvanizado cuando reacciona el zinc y hierro son

A B

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Deividi Nardi

62

ή-Zn, ζ, δ1, Γ y Γ1. En un recubrimiento típico de galvanizado, los compuestos

intermetálicos de Fe-Zn se subsiguen uno a uno a medida que crece el contenido en

Fe desde ή-Zn hacia el substrato de Fe en concordancia con el diagrama de equilibrio.

Así se admite que a altas temperaturas (620-672°C) la fase δ no es distinta de δ1, y

que solamente la fase δ1 existe en el sistema Fe-Zn. Para temperaturas por encima de

eses valores, como las obtenidas en los experimentos, el recubrimiento de Zinc

alcanza su temperatura de fusión (419.45ºC) y puede llegar hasta la temperatura de

evaporación (906ºC). La actuación de un gas inerte durante el proceso de taladrado

por fricción, inhibe la oxidación al actuar como una barrera para la difusión de los

átomos del Zinc y de Oxígeno.

Fig. 54. Formación de pétalas y agrietamiento de la copa del acero DP600 GA por el

proceso de taladrado por fricción sin atmosfera inerte.

Así pues, la presencia del fenómeno de Powdering y Outburst se ha presentando en

todas las condiciones de avance de herramienta y rotación de husillo en el taladrado

por fricción de la chapa cincada cuando no se aplica el gas protector (Fig. 54). Tiene

como principales causas el exceso de formación de la fase Γ, con una alta

concentración de Hierro en la superficie del recubrimiento, resultando en una superficie

con una elevada dureza, debido a las altas temperaturas generadas del proceso. Para

valores de temperatura sobre los 550°C se puede iniciar el fenómeno de Powdering y

que para temperaturas por encima de 570°C ya existe un aumento de espesor de la

fase Γ y la reducción de la fase δ. Dicho fenómeno, convierte el revestimiento en una

superficie frágil y con agrietamiento, siendo de difícil control y predicción de fallos.

En el caso del taladrado en atmosfera inerte se ha aplicado un gas inerte (argón puro)

en distintos caudales, direccionado hacia la parte inferior de la chapa a través de una

boquilla, fijada en la parte interna del útil (Fig. 36c). En los ensayos experimentales se

ha comprobado la actuación del gas inerte y se ha optimizado los parámetros de

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

63

taladrado en función de los resultados de fallos o defectos en los agujeros. En ensayos

preliminares se han probado tres distintas configuraciones de boquilla (Fig. 55).

Fig. 55. Comparación entre copas en el acero DP600 GA formadas por distintas

boquillas de gas. a) Vista de la copa con boquilla lateral. b) Vista de la copa con

boquilla coaxial. c) Vista de la copa con boquilla central inferior.

En la boquilla lateral (Fig. 36a) compuesta por 4 toberas de salida de gas, se ha

realizado los experimentos con todos los parámetros de rotación, avance de la

herramienta y caudal de gas, resultando en un 100% de copas presentado

macrogrietas o incluso en altas rotaciones de husillo se ha verificado la formación de

pétalas, causado por la baja actuación o no homogénea distribución del gas protector

(Fig. 55a).

En la boquilla coaxial (Fig. 36b) fue probada dos distintas configuraciones, una con

8mm de diámetro interno y una segunda con 10mm con diámetro interno. Se ha

verificado una disminución en la formación de grietas comparando al experimento

anterior, sin embargo en todas las copas se ha presentado algún tipo de defecto o

inestabilidad durante el proceso, como grietas generadas principalmente en la base de

la copa, verificándose de la misma forma la no protección total del gas inerte (Fig.

55b).

La boquilla central inferior (Fig. 36c) compuesta por una boquilla única con un ángulo

de punta de 45° en la salida del gas y con un diámetro interno de 8mm direccionado

hacia la parte inferior de la chapa, ha generado un proceso más estable de taladrado

por fricción en chapas galvanizadas. Utilizando los mismos valores de rotación del

husillo, velocidad de avance de herramienta y caudal de gas de los ensayos

anteriores, se ha obtenido la ausencia de defectos o grietas en la copa (Fig. 55c). Los

mejores resultados de acabado superficial externo de la copa y total ausencia de

grietas fueron obtenidos con la menor velocidad de avance combinada con la menor

A B C

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Deividi Nardi

64

rotación de husillo (Fig. 56a). Análogamente igual al acero DP600 sin recubrimiento, el

incremento de rotación de husillo contribuye a la generación de copas de mayores

longitudes (Pt), pues cuando tenemos altas rotaciones la temperatura alcanzada en el

proceso es superior a la temperatura obtenida cuando la rotación es baja (Fig. 56b). El

incremento de la velocidad de avance genera copas de menor longitud, ya que el

tiempo de contacto entre la herramienta y el material es menor, generando menos

calor y la facilidad para que el material fluya disminuye.

Fig.56. Vistas de las copas generadas con distintos parámetros de taladrado en el

acero DP600 GA bajo atmosfera inerte.

Por otro lado, en las altas temperaturas por encima de aproximadamente 900°C, se ha

observado la formación de grietas. El material no debe calentarse hasta la temperatura

de evaporación del recubrimiento de zinc, fenómeno que puede ocurrir si durante el

proceso de taladrado se utiliza altas rotaciones de husillo, pues el aumento en la

rotación de la herramienta provoca un incremento del calor generado en el proceso. Se

ha obtenido copas con defectos para rotaciones de husillo por encima de 2000 rpm

(Fig. 56d), tampoco se ha notado mejoras en la calidad superficial de la copa en

rotaciones de husillo por debajo de 1500rpm. En todos los experimentos se ha

verificado que cuanto menor la velocidad de avance de herramienta, una mejor

superficie externa de la copa se obtiene, además se ha verificado la iniciación de

A B

C

F

1500 rpm

40 mm/min

15 lts/min

2000 rpm

40 mm/min

15 lts/min

1500 rpm

130 mm/min

15 lts/min

2500 rpm

130 mm/min

15 lts/min

Macro

Grietas

Macro

Grietas

1500 rpm

100 mm/min

15 lts/min

Inicio

Grietas

E

D

Inicio

Grietas

2500 rpm

80 mm/min

25 lts/min

_______

1 mm

_______

1 mm

_______

1 mm

_______

1 mm

_______

1 mm _______

1 mm

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

65

microgrietas en la base de la copa en avances de herramienta por encima de los 80

mm/min (Fig. 56c).

En relación al caudal de gas, se ha verificado la formación de grietas con caudales

inferiores a 15 lts/min. Una ligera disminución en la formación de grietas se ha

verificado con altos caudales (25 lts/min), sin embargo utilizando el mínimo caudal de

gas (15 lts/min) se ha garantizado una homogénea distribución del gas protector.

5.3. Temperaturas del proceso

A continuación, se presentan las temperaturas obtenidas durante el proceso de

taladrado. Se ha concluido que la temperatura máxima que se alcanza en el proceso

es dependiente de la velocidad de rotación, del avance de la herramienta y el espesor

de la chapa. En las gráficas se recogen la evolución de las temperaturas de acuerdo

con el espesor, velocidad de avance y rotación de herramienta. En todos los

materiales estudiados, se observa que para mayores velocidades de giro, se produce

mayor fricción entre herramienta y pieza, lo que origina mayores temperaturas de

proceso.

5.3.1. Temperaturas en los aceros sin recubrimientos

En el caso del acero DP600 con 1.2mm de espesor sin recubrimiento, la mayor

temperatura alcanzada fue de 890°C con un avance de 130mm/min y 3000rpm de

rotación del husillo (Fig. 57). En cuanto al avance se observa que un aumento de éste

conlleva una disminución de la temperatura máxima, ya que el tiempo de contacto

entre la herramienta y la pieza disminuye.

DP 600

800

825

850

875

900

100 150 200 250 300 350 400 450

Velocidad de avance (mm/min)

Te

mp

era

tura

(ºC

)

1500

2000

2500

3000

Fig. 57. Influencia de los parámetros de taladrado en la temperatura del proceso en

acero DP600.

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Deividi Nardi

66

Las temperaturas máximas del proceso con el acero DP 800 de 1.6mm de espesor

fueron mayores que las temperaturas del acero DP600. Como se ha concluido en la

observación de la gráfica anterior, la temperatura del proceso está directamente

relacionada con la velocidad de giro, avance de herramienta y también con el espesor.

Principalmente debido a un mayor espesor de la chapa, se alcanzan valores de hasta

930°C con un avance de 130mm/min y 3000rpm de rotación del husillo (Fig. 58).

DP 800

800

825

850

875

900

925

950

100 150 200 250 300 350 400 450

Velocidad de avance (mm/min)

Te

mp

era

tura

(ºC

)

DP 600

800

825

850

875

900

100 150 200 250 300 350 400 450

Velocidad de avance (mm/min)

Te

mp

era

tura

(ºC

)

1500

2000

2500

3000

Fig. 58. Influencia de los parámetros de taladrado en la temperatura del proceso en

acero DP800.

5.3.2. Temperaturas en los aceros con recubrimientos

En el caso del acero Usibor© 1500, como comprobado anteriormente para velocidades

de avance lentas, el tiempo en contacto entre material y herramienta es mayor, por lo

que la temperatura alcanzada en el proceso es superior a la temperatura obtenida

cuando el avance es máximo. Las temperaturas obtenidas fueron elevadas para el

acero martensitico, debido al espesor y las características mecánicas del material. La

ocurrencia de temperaturas altas puede comprometer la vida útil de la herramienta. Se

ha alcanzado valores de hasta 1125°C con el avance de 130mm/min y 3000rpm de

rotación del husillo (Fig. 59). Los fabricantes de herramientas no aconsejan trabajar

con temperaturas por encima de los 1000°C, así pues, se debe buscar un compromiso

entre las mínimas temperaturas con las mínimas fuerzas en el proceso en el caso del

acero martensitico Usibor© 1500.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

67

MART

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

100 150 200 250 300 350 400 450

Velocidad de avance (mm/min)

Te

mp

era

tura

(ºC

) DP 600

800

825

850

875

900

100 150 200 250 300 350 400 450

Velocidad de avance (mm/min)

Te

mp

era

tura

(ºC

)

1500

2000

2500

3000

Fig. 59. Influencia de los parámetros de taladrado en la temperatura del proceso en

acero Usibor© 1500.

El valor de temperatura máxima en función del espesor se ha comprobado a través de

los experimentos. Se ha comparado los tres distintos materiales ensayados en función

de la velocidad de rotación. Mayores espesores resultan en mayores temperaturas

máximas. Se observa que utilizando la misma velocidad de avance durante el proceso

y distinto espesor de chapa, la temperatura resultante es mayor cuanto mayor el

espesor, y cuanto mayor la rotación mayor es la temperatura generada en la copa (Fig.

60).

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1000 1500 2000 2500 3000 3500

Rotación (RPM)

Te

mp

era

tura

s (

ºC)

MART DP 800 DP 600

Fig. 60. Influencia de los parámetros de taladrado y espesor de material en la

temperatura del proceso.

La temperatura presenta un comportamiento constante durante el proceso. En el

primer contacto de la herramienta con la chapa, la zona de centrado de la herramienta

fricciona con la superficie de la chapa generando calor por rozamiento puro.

Posteriormente, la herramienta avanza con velocidad constante, el calor se genera por

el cono de la herramienta pues se aumenta la superficie de contacto entre la parte

2.0mm

1.6mm

1.2mm

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Deividi Nardi

68

cónica de la herramienta y la chapa, causado por el rozamiento de la herramienta y por

la deformación plástica del agujero (Fig. 61).

700

800

900

1000

1100

100 150 200 250 300 350 400 450

Velocidad Avance (mm/min)

Tem

pera

tura

(ºC

)

1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3

Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(ºC

)

1500 rpm; 220 mm/min 2000 rpm; 220 mm/min

2500 rpm; 220 mm/min 3000 rpm; 220 mm/min

DP 600

800

825

850

875

900

100 150 200 250 300 350 400 450

Velocidad de avance (mm/min)

Te

mp

era

tura

(ºC

)

1500

2000

2500

3000

Fig. 61. Comportamiento de la temperatura del proceso en relación al tiempo de

taladrado en acero DP600 GA.

En el acero DP600 GA con recubrimiento de Zinc, el comportamiento de las

temperaturas máximas durante el proceso de taladrado es similar al acero DP600 sin

recubrimiento, pues como se ha concluido en las observaciones anteriores, la

temperatura del proceso está directamente relacionada con la velocidad de giro,

avance de herramienta y espesor de material. Sin embargo, se ha observado en los

mayores caudales de gas inerte, un incremento en la temperatura (Fig. 62), entre los

límites establecidos para la no formación de grietas (caudales inferiores a 15 lts/min no

se ha garantizado una homogénea distribución del gas protector). Por otro lado, no se

ha sobrepasado los 900°C, límite de temperatura máxima pues el material no puede

calentarse hasta la temperatura de evaporación del recubrimiento de zinc.

Fig. 62. Influencia del caudal de gas en las temperaturas en el acero DP600 GA con

atmósfera inerte.

Avance 60 mm/min

Espesor 1.2mm

Avance 130 mm/min

Espesor 1.2mm

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

69

5.4. Análisis Metalografíco

En el taladrado por fricción el material sufre calentamiento al mismo tiempo que es

sometido a diferentes tasas de deformación. Debido a la presencia de estos

gradientes, en la misma copa se obtienen diferentes microestructuras en la zona

termomecánicamente afectada del agujero final (HAZ). A continuación, se analiza los

resultados de la metalografía y el análisis de componentes en la superficie de los

materiales con un microscopio electrónico de barrido, separadas por las tres zonas en

la copa (Fig. 63). En los resultados obtenidos en los experimentos se ha comprobado

que en la misma copa tenemos diferentes zonas microestructurales y diferentes

microdurezas, causado por las transformaciones termomecánicas.

Fig. 63. Las zonas afectadas térmicamente en la copa del agujero.

Zona 1: Ocurren las mayores transformaciones microestructurales en el material, con

disminución de tamaño grano en toda la extensión de la región deformada,

presentando granos homogéneos y mínimo tamaño en el borde interno del agujero,

con un aumento gradual en el tamaño de grano hacia la zona 2. La presencia de

martensita y ferrita en granos homogéneos es notable.

Zona 2: Zona de transición donde se observa una menor recristalización cuando

comparado con la zona 1. Región con granos de menor tamaño compuesto por granos

afinados y granos de mayor tamaño, que aumentan hacia la zona 3. Presencia de

granos finos y grandes mezclados en bandas algunas veces.

Zona 3: Microestructura original del material base. El porcentaje de las fases depende

tanto del contenido de carbono del acero como de la temperatura alcanzada en el

1

2

3

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Deividi Nardi

70

proceso de fabricación. Así, la fracción volumétrica de martensita aumenta conforme

crecen el contenido en carbono y la temperatura de recocido.

5.4.1. Influencia de los parámetros de taladrado en la microestructura

En el proceso de taladrado por fricción, donde tenemos una deformación plástica en

caliente, se produce en el material elevadas temperaturas con el fin de obtener

deformaciones importantes sometiendo el material a esfuerzos relativamente limitados.

Estos procesos modifican la microestructura del material y su tamaño de grano. En los

experimentos se ha verificado que los parámetros de taladrado, como la velocidad de

avance y rotación de herramienta influencian en la transformación microestructural del

material. En un mismo material y espesor, se ha comprobado que en la zona 1 el

tamaño de grano disminuye con el aumento de la velocidad de avance y con bajas

rotaciones de husillo, cuando se compara con el material base. Para condiciones de

taladrado donde la velocidad de avance es menor con un aumento de rotación de

husillo, es decir, con un mayor gradiente de temperatura, los granos se presentan con

menores dimensiones aún. En la zona 2 donde tenemos la transición hacia el material

base el comportamiento metalúrgico es similar en relación a los parámetros de

taladrado.

Fig. 64. Detalle de las zonas térmicamente afectadas en la copa.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

71

En los aceros DP600 y DP800 se ha comprobado el fenómeno de recristalización

dinámica. Por los análisis de metalografía y microdurezas se ha verificado el recocido

del material en la zona 1, donde se ha obtenido las mayores temperaturas. Se ha

verificado que cuanto más rápida las velocidades de avance, menos efectiva la

recuperación o recristalización dinámica, así pues mayor la densidad de dislocaciones

retenidas. En efecto, se ha desarrollado a partir de la estructura de granos del material

básico heterogénea en la zona 3, una estructura más fina y homogénea en la zona 1,

como resultado particularmente de la recristalización.

Fig. 65. Microestructuras en el acero DP800 (Ataque Nital 5%).

En cuanto a la microestructura, se muestra las microestructuras dúplex, esto es, de

ferrita y martensita, típicas de estos aceros del material base. La fase clara es la ferrita

y la oscura la martensita. No obstante, los resultados de dureza en el borde del

agujero también están influenciados por el contenido en otros elementos de aleación y

por los dos espesores utilizados. Las transformaciones estructurales del acero de

DP600 y DP800 se producen principalmente en la zona del borde del agujero (Fig. 65).

____________

20 μm ____________

20 μm ____________

20 μm

Acero DP800 Rotación 1500rpm Avance 130 mm/min Espesor 1.6mm Temp. Máx.: 835 °C

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Deividi Nardi

72

Fig. 66. Microestructuras en el acero DP600 (Ataque Nital 5%).

Para el análisis de calidad superficial, se muestra la superficie de la copa obtenida por

microscopia electrónica de barrido SEM del acero DP600 (Fig. 67). Se ha observado

la superficie de la copa sin fallos o agrietamiento en los aceros DP600 y DP800 en

todas las condiciones velocidad de avance y rotación de herramienta.

Fig. 67. Observación obtenida mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) de

la copa en el acero DP600 sin recubrimiento.

____________

20 μm ____________

20 μm ____________

20 μm

Acero DP600 Rotación 1500rpm Avance 130 mm/min Espesor 1.2mm Temp. Máx.: 825 °C

_________________

1.0 mm

Acero DP600

Rotación 1500 rpm

Avance 130 mm/min

Espesor 1.2mm

Spectrum 1

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

73

Los componentes observados en la superficie de las copas por EDX en ambos

materiales, en el DP600 y DP800, se puede observar la presencia de C, Fe y Mn,

típico de la estructura del material base del los aceros doble fase (Fig. 68).

Fig. 68. EDX en la copa del acero DP600 sin recubrimiento (Spectrum 1).

En el material Usibor©1500 la estructura cien por ciento martensitica original de la zona

3 con formación martensitica similar en el borde del agujero, en la zona 1 (Fig. 69).

Independientemente de las velocidades de avance y rotación de herramienta, no se ha

observado una variación importante en la estructura martensitica. Se ha observado

fallos en el revestimiento en las copas en las condiciones de mínima velocidad de

avance y en elevadas rotaciones de herramienta donde el tiempo de contacto entre

material y herramienta es mayor, sin embargo no se ha observado modificaciones en

la microestructura de la copa por la influencia del agrietamiento superficial del

recubrimiento Al-Si. En las condiciones de taladrado donde no se alcanza la

temperatura de degeneración del recubrimiento Al-Si, por debajo de 2000 rpm de

rotación de herramienta o cuando la temperatura es inferior a 950°C, no se ha

verificado microgrietas en el recubrimiento Al-Si. La formación de microgrietas se

presenta en mayor cantidad en la extremidad del agujero, decreciendo el número de

grietas hacia la base de la copa (Fig. 70). En todos los parámetros de taladrado, no se

ha observado la formación de cascarilla en la copa. La profundidad de la grieta en la

copa corresponde al espesor del recubrimiento original del acero Usibor©1500, entre

23 y 32 micras (Fig. 71).

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Deividi Nardi

74

Fig. 69. Microestructuras en el acero Usibor©1500 (Ataque Nital 5%).

Fig. 70. Observación obtenida mediante microscopia electrónica de barrido (SEM),

agrietamiento del recubrimiento Al-Si en la copa del acero Usibor©1500.

Acero Usibor©1500

Rotación 1500rpm Avance 130 mm/min Espesor 2.0mm Temp. Máx.: 925 °C

____________

20 μm ____________

20 μm ____________

20 μm

_________________

1.0 mm

Acero Usibor 1500

Rotación 3000 rpm

Avance 130 mm/min

Espesor 2.0mm

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

75

Fig. 71. Observación obtenida mediante microscopia electrónica de barrido (SEM),

detalles de las grietas del recubrimiento Al-Si en la copa del acero Usibor©1500.

La observación en la superficie de las copas por EDX en el Usibor©1500, se

comprueba en la zona interna de la grieta la ausencia total del recubrimiento, se

observa también la presencia del Al y Si de la capa exterior del revestimiento, Fe y Mn

del substrato y se verifica la formación de óxidos en el recubrimiento (Fig. 72).

Fig. 72. EDX en la copa del acero Usibor©1500.

5.4.2. Influencia de los recubrimientos en la microestrutura

En el acero DP600 GA, se ha verificado que el revestimiento de Zinc interviene en la

transformación microestructural de las copas generadas. Las altas temperaturas del

proceso de taladrado por fricción, ocasionan una interdifusión entre el substrato del

acero y el propio recubrimiento de zinc, debido entre otros factores al bajo punto de

fusión del Zinc con respecto al punto de fusión del acero, desarrollando y propagando

_________________

0.25 mm

Acero Usibor 1500

Rotación 3000 rpm

Avance 130 mm/min

Espesor 2.0mm

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Deividi Nardi

76

las grietas durante el proceso de enfriamiento después de la conformación de la copa.

Estos defectos microestructurales degradan significativamente las propiedades

mecánicas de las copas. Se observa la micrografía obtenida mediante microscopia

electrónica de barrido (SEM) en la vista superior de la copa (Fig. 73), con análisis de

los componentes en la parte interna de la grieta.

Fig. 73. Observaciones obtenidas mediante microscopia electrónica de barrido (SEM),

agrietamiento de la copa en el acero DP600 GA (sin atmosfera inerte).

Fig. 74. EDX en la copa del acero DP600 GA sin atmosfera inerte (Spectrum 1).

El microanálisis químico EDX en la parte interna de la grieta indicó la presencia de Fe,

Mn y Zn, además de los elementos de aleación y óxidos formados durante el proceso.

El análisis 1 realizado internamente en la grieta presenta alta concentración de Zinc

________________

0.2 μm _________________

1.0 mm

Acero DP600 GA

Rotación 1500 rpm

Avance 80 mm/min

Espesor 1.2mm

Spectrum

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

77

(Fig. 75), mientras que el análisis 2 realizado cercano a la superficie externa de la

grieta presenta alta oxidación y porcentaje de Zinc en menor concentración en

comparación con el análisis interno 1 (Fig. 74).

Fig. 75. EDX en la copa del acero DP600 GA sin atmosfera inerte (Spectrum 2).

Internamente en las grietas de la copa, se puede observar en el recubrimiento de Zinc

la delgada capa de cristales pequeños llamados de grano fino o también conocidos

como cristales “pillar-like”, (Fig. 76b) primero formados aisladamente luego en capas

completas, es decir, una explosión reactiva en la interdifusión entre el Zinc y Hierro

presente en el contorno de grano conllevando al agrietamiento total de la copa

(“outbursts”) o incluso la formación de pétalas (Fig. 76a).

Fig. 76. Observaciones obtenidas mediante microscopia electrónica de barrido (SEM)

detalles de las grietas en el recubrimiento del acero DP600 GA (sin atmosfera inerte).

_______

100 μm

____

1μm

Acero DP600 GA

Rotación 1500 rpm

Avance 80 mm/min

Espesor 1.2mm

A B

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Deividi Nardi

78

En la micrografía obtenida mediante microscopia electrónica de barrido (SEM), se

observa la vista superior de la copa generada sin fallos o defectos superficiales

mediante el proceso de taladrado por fricción bajo atmosfera inerte (Fig. 77). La

aplicación de una atmosfera inerte disminuye la oxidación y estabiliza el proceso de

taladrado, con ausencia total de microgrietas. En el microanálisis químico EDX en la

parte externa de la copa se ha verificado la presencia de Fe y Mn además de los

elementos de aleación, con ausencia total de formación de óxidos y pequeñas

cantidades de Zinc (Fig. 78).

Fig. 77. Observación obtenida mediante microscopia electrónica de barrido (SEM), sin

grietas o fallos en el recubrimiento en la copa del acero DP600 GA.

Fig. 78. EDX en la copa del acero DP600 GA con atmosfera inerte.

Spectrum

_________________

1.0 mm

Acero DP600 GA

Rotación 1500 rpm

Avance 80 mm/min

Espesor 1.2mm

Caudal 15 lts/min

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

79

5.5. Microdurezas

Dependiendo de la intensidad de las alteraciones metalúrgicas resultantes, las mismas

pueden influir las características mecánicas del material, como por ejemplo el aumento

del límite elástico y la variación de la dureza. Además, las alteraciones

microestructurales resultantes del proceso pueden afectar las propiedades mecánicas

de los agujeros roscados por laminación.

Los mayores valores de microdurezas encontradas en el caso del acero DP 600 fueron

con las mayores temperaturas, es decir, la combinación del menor avance y mayor

rotación (Fig. 79). Esto se debe por el mayor tiempo de contacto durante el proceso

entre la herramienta y la chapa, consecuentemente un aumento de temperatura. Se

observa la presencia de recristalización, donde la tensión causante de la deformación

actúa junto a las tensiones generadas por las mismas dislocaciones y alcanzando un

valor crítico de la condición microestructural durante la deformación en caliente,

generando una mayor densidad de dislocaciones retenidas, promoviendo el

endurecimiento del material en la zona 1 (Fig. 63), y un decrecimiento constante de

dureza en la zona de transición 2 hasta la zona 3 donde se presenta una dureza más

baja, del material base.

DP 600

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

0 1 2 3 4 5

Posición (mm)

Du

reza

(H

V)

S1500

S2000

S2500

S3000

Fig. 79. Valores de microdurezas en el acero DP600 (avance 130mm/min).

Las microdurezas encontradas en el acero DP 600 GA con recubrimiento de Zinc

fueron similares a las temperaturas desarrolladas por el DP600 sin recubrimiento.

Los mayores valores de microdurezas fueron obtenidos en las mayores

temperaturas (Fig. 80). Se observa el endurecimiento constante hacia la zona 1 de la

copa con una ligera diferencia de microdurezas entre los distintos caudales de gas,

debido a las distintas velocidades de enfriamiento de la copa.

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Deividi Nardi

80

Fig.80. Valores de microdurezas en distintos caudales de gas argón aplicados en el acero DP600 GA.

Sin embargo en la chapa DP 800 los datos de microdurezas en el borde del agujero

fueron más bajos en comparación a las microdurezas del material base (Fig. 81). Se

observa un ablandamiento en la zona 2 debido a los procesos dinámicos del

recocido y una recuperación de la dureza por el enfriamiento en la zona 1,

produciendo los fenómenos propios de un recocido, desarrollando a partir de la

estructura de granos heterogénea del material base una estructura más fina y

homogénea en la zona 1.

DP 800

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

0 1 2 3 4 5

Posición (mm)

Du

reza

(H

V)

DP 600

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

0 1 2 3 4 5

Posición (mm)

Du

reza

(H

V)

S1500

S2000

S2500

S3000

Fig. 81. Valores de microdurezas en el acero DP800 (avance 130mm/min).

En relación al acero Usibor©1500, el comportamiento de recuperación de la

microdurezas fue distinta al acero DP800, debido principalmente por los distintos

valores de temperatura alcanzados, por la composición química y tamaño de grano

del material base, además a mayor temperatura se necesita menos tiempo para

finalizar la recristalización (Fig. 82). Se observa temperaturas máximas en las

condiciones de rotación de herramienta entre 2500 rpm y 3000 rpm, verificando un

Avance 60 mm/min

Rotación 1500rpm

Espesor 1.2mm

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

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ablandamiento en la zona 2 y una recuperación de la dureza por el enfriamiento en

la zona 1. Sin embargo en las condiciones de rotación de herramienta entre 1500

rpm y 2000 rpm, debido a las menores temperaturas del proceso se observa un

ablandamiento en la zona de transición 2 sin recuperación de dureza en la zona 1,

resultando en valores de microdurezas inferiores en comparación al material base.

MART

250

280

310

340

370

400

430

460

490

0 1 2 3 4 5

Posición (mm)

Du

reza

(H

V)

DP 600

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

0 1 2 3 4 5

Posición (mm)

Du

reza

(H

V)

S1500

S2000

S2500

S3000

Fig. 82. Valores de microdurezas en el acero Usibor©1500 (avance 130mm/min).

5.6. Roscado por laminación

Se ha realizado experimentos para verificar la viabilidad del proceso de roscado por

laminación en los aceros de doble fase de alta resistencia (Fig. 83). Se ha observado

que cuando mayor el espesor de la chapa, mayor la longitud de la copa y

consecuentemente mayor el número de filos de la rosca formada. La calidad de

acabado interno del agujero taladrado también influye en el acabado del filo de la

rosca.

Fig. 83. Vista superior e inferior del roscado realizado en las probetas del acero

DP600.

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Deividi Nardi

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Una de las características del roscado por laminación es la formación de una crista

en el filo de la rosca; las puntas y los flancos de los dientes del macho penetran en

el agujero y desplazan el material en los espacios libres del perfil del macho. Se

observa la forma del perfil de la rosca característico del proceso (Fig. 84).

Fig. 84. Detalle del perfil del roscado en el acero DP800.

Se observa fallos en la formación del filo en el comienzo de la rosca y al final de la

rosca, debido al poco espesor e3 y e4 de la copa, desplazando el material durante el

proceso de roscado en la dirección radial del agujero. En la chapa DP600 de 1.2mm

de espesor se ha formado 2 filos de rosca, además defectos en el filo inicial y final,

presentando más acentuado el defecto en el filo en comparación con las chapas de

mayor espesor (Fig. 85). En la chapa DP800 de 1.6mm de espesor se ha formado 3

filos de rosca, y en la chapa Usibor©1500 de 2.0mm de espesor se ha formado 4 filos

de rosca, observándose que disminuye el defecto del filo inicial y final cuanto mayor

el espesor de la chapa (Fig. 86).

Fig. 85. Rosca en corte del acero DP600.

Defectos en el filo de la rosca

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

83

Fig. 86. Rosca en corte del acero DP800.

5.7. Tiempos del proceso

Se ha verificado que el tiempo de proceso depende de la velocidad de avance y

recorrido de la herramienta en el eje z de la máquina herramienta, que varía de

acuerdo con el espesor de la chapa taladrada. La velocidad de avance de

herramienta puede ser variable durante la aproximación de la herramienta hasta la

chapa, sin embargo durante la penetración de la herramienta en la chapa se utiliza

velocidad de avance constante.

Tabla 5.7. Tiempo total del proceso de taladrado.

Material Espesor de

chapa (mm)

Velocidad de avance

(mm/min)

Tiempo de taladrado

(s)

DP600 GA 1.2

40 16

60 14

80 12

DP600 1.2

130 14

230 7,8

400 5

DP800

1.6

130 14

230 7,8

400 5

Usibor© 1500 2.0

130 15

230 9

400 6

A pesar del mismo espesor de 1.2mm, los valores de tiempo del proceso de la chapa

DP600 GA fueron superiores en relación a la chapa DP600, pues en el proceso de

Defectos en el filo de la rosca

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Deividi Nardi

84

taladrado por fricción de las chapas con recubrimiento de Zinc bajo atmosfera inerte,

se ha verificado que cuanto menor la velocidad de avance de herramienta, una

mejor superficie externa de la copa se obtiene. Así pues, fue utilizado para la

aproximación de herramienta una alta velocidad de avance y durante la penetración

de la herramienta en la chapa la velocidad de avance correspondiente. En la chapa

DP800 de 1.6mm de espesor, la longitud de taladrado fue de 14mm. La chapa

Usibor©1500 se ha utilizado 15mm como longitud de taladrado. Así, con velocidad de

avance igual, el tiempo de proceso es ligeramente mayor para la chapa Usibor©1500

(tabla 5.7).

Aún así, en comparación con otros procesos taladrado, el taladrado por fricción en

aceros de alta resistencia demuestra bajos tiempos de proceso, comprobando ser

una alternativa en la reducción del tiempo de mecanización y de los costes en el

ámbito de la producción en larga escala. Además, la no formación de virutas y el

incremento de resistencia en los filos de la rosca por la acritud durante la laminación

del roscado, aumenta la seguridad del proceso durante la producción.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

85

6. Conclusiones y Líneas de futuro desarrollo

En el presente trabajo, se ha presentando un conjunto sistematizado de resultados

experimentales para optimizar el proceso de taladrado por fricción no solamente

desde el punto de vista termomecánico y de características mecánicas en los aceros

avanzados de alta resistencia sino también desde el de la elaboración de un nuevo

método para la obtención de taladrado por fricción en chapas de acero de alta

resistencia con recubrimientos de Zinc.

6.1. Conclusiones

Tras la revisión de la bibliografía y el desarrollo y validación de la metodología

propuesta, las aportaciones realizadas son las siguientes:

i. El taladrado por fricción es una técnica rápida, económica y de fácil aplicación

para la realización de agujeros en chapas de acero de alta resistencia

utilizadas principalmente en la fabricación de carrocerías de automóviles,

siendo una alternativa rentable para uniones metálicas.

ii. El taladrado por fricción bajo atmosfera de gas protector, presenta una gran

ventaja frente al sistema de taladrado por fricción convencional, dado que no

presenta grietas o defectos superficiales, lo que permite sustituir el empleo de

tuercas soldadas. Además, al no aplicar líquidos de refrigeración, si no que

utiliza un gas inerte que se disipa en el aire, se convierte en un proceso

limpio.

iii. El espesor de la chapa influye directamente sobre el momento, la fuerza de

avance y la temperatura que se genera en el proceso de taladrado por

fricción. A mayor espesor de material, mayor es la resistencia a ser taladrado

y mayor la temperatura generada. La profundidad total de la rebaba generada

también es dependiente del espesor del material de partida. A mayor espesor,

mayor es el volumen de material a deformar, por lo que se obtienen mayores

profundidades de copa.

iv. El comportamiento de las fuerzas entre los tres materiales fue similar, el

mayor momento y fuerza de avance fueron obtenidos con el máximo avance

(400mm/min) combinado con la mínima rotación de taladrado (1500rpm). Se

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Deividi Nardi

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ha comprobado que la presencia de recubrimiento no varía la fuerza de

avance y el momento torsor. Para un espesor de pieza y velocidad de

rotación constate, al incrementar el avance de herramienta, la fuerza de

avance es mayor. Esto se debe a la disminución del tiempo de contacto entre

pieza y herramienta, generando menos calor para ablandar el material.

Entretanto, cuando se incrementa la velocidad de rotación, manteniendo el

avance constate, el valor de las fuerzas de avance y del momento

disminuyen. En relación a la durabilidad de la herramienta, en el caso de la

chapa martensitica Usibor©1500, donde se ha obtenido altos valores de

fuerzas, cuanto menor las cargas y las temperaturas impuestas en la

herramienta, mayor la vida útil de las mismas. Así pues, en ambos materiales

y espesores, las menores fuerzas axiales y momentos resultantes fueron con

el mínimo avance (130mm/min) combinado con la máxima rotación de

taladrado (3000rpm).

v. En relación a la geometría de los agujeros, los parámetros del proceso

influencian los resultados de espesor, longitud y diámetro del agujero. Para un

mismo espesor de pieza, el aumento en la velocidad de giro de herramienta

provoca un incremento del calor generado en el proceso. Esto contribuye a la

generación de copas de mayores longitudes. El incremento de la velocidad de

avance, manteniendo constante la velocidad de giro de herramienta, genera

copas de menor longitud, ya que el tiempo de contacto entre la herramienta y

el material es menor, se genera menos calor y la facilidad para que el material

fluya disminuye, igualmente para los espesores, que también están

influenciados por la velocidad de avance, a medida que aumenta la velocidad

de avance los espesores medidos son mayores. En relación al diámetro del

agujero, cuanto mayor la rotación de herramienta y menor la velocidad de

avance, mayores diámetros de agujero se obtienen. También se ha

observado que durante el proceso, la combinación de temperatura y los

esfuerzos de penetración favorecen la adhesión del material de la pieza en la

herramienta conduciendo a un incremento en el diámetro del agujero

realizado a medida que el número de agujeros ejecutados es mayor.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

87

vi. Las temperaturas generadas dependen directamente de los parámetros de

taladrado y espesor de chapa. En todos los materiales estudiados, se ha

observado que para mayores velocidades de giro, se produce mayor fricción

entre herramienta y pieza, lo que origina mayores temperaturas de proceso.

Para velocidades de avance lentas, el tiempo en contacto entre material y

herramienta es mayor, por lo que la temperatura alcanzada en el proceso es

superior a la temperatura obtenida cuando el avance es máximo. Se ha

observado que la presencia de recubrimiento no varía la temperatura de

taladrado, pues la temperatura del proceso está directamente relacionada con

la velocidad de giro, avance de herramienta y espesor de material.

vii. En la misma copa del agujero se ha obtenido diferentes zonas

microestructurales. Se ha verificado que los parámetros de taladrado como la

velocidad de avance y rotación de herramienta influencian en la

transformación microestructural del material. Para los aceros doble fase DP,

en el borde interno del agujero se verifica una disminución en el tamaño de

grano con un aumento gradual de tamaño hacia la zona de transición hasta el

material base. En la zona del borde del agujero el tamaño de grano disminuye

con el aumento de la velocidad de avance y con bajas rotaciones de

herramienta cuando se compara con el material base, desarrollando a partir

de la estructura de granos del material básico heterogénea, una estructura

más fina y homogénea en la zona del borde de agujero. En el acero

martensitico Usibor©1500, se ha observado grietas en el revestimiento Al-Si

en altas temperaturas, (mínima velocidad de avance y máxima rotación de

herramienta) no observándose modificaciones en la microestructura del

material en la zona agrietada.

viii. En relación a los recubrimientos, se ha verificado que el revestimiento de Zinc

interviene en la transformación microestructural de las copas generadas. Las

altas temperaturas del proceso de taladrado por fricción, ocasionan una

interdifusión entre el substrato del acero y el propio recubrimiento de zinc,

desarrollando y propagando grietas durante el proceso de enfriamiento

después de la conformación de la copa. Se ha comprobado que la aplicación

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Deividi Nardi

88

de una atmosfera inerte disminuye la oxidación y estabiliza el proceso de

taladrado, con ausencia total de microgrietas.

ix. Los mayores valores de microdurezas encontradas en los materiales fueron

con las mayores temperaturas, con la combinación del menor avance y mayor

rotación de herramienta. Se ha obtenido distintos valores máximos de

microdurezas entre los materiales, debido principalmente a las distintas

temperaturas alcanzadas, por la composición química y por el tamaño de

grano del material base. Se observado también para el acero DP800 y el

Usibor©1500 un ablandamiento en la zona próxima al agujero una posterior

recuperación de la dureza.

x. En el roscado por laminación se ha observado fallos en la formación del filo

en el comienzo de la rosca y al final de la rosca. También, se ha observado

que cuando mayor el espesor de la chapa, mayor la longitud de la copa y

consecuentemente mayor el número de filos de la rosca formada, además la

calidad de acabado interno del agujero taladrado también influye en el

acabado del filo de la rosca. Sin embargo, todos los roscados realizados son

susceptibles para uniones atornilladas.

6.2. Líneas de futuro desarrollo

A continuación se exponen algunas líneas de futuro desarrollo que pueden tener un

seguimiento investigativo:

i. El proceso de taladrado por fricción ya se conoce y está en el mercado, pero

la utilización de atmosfera de gas inerte permite su uso en el importante grupo

de aceros galvanizados. Hasta la fecha este campo era inabordable, pero lo

presentado en el trabajo lo permite. De hecho el proceso se emplea en

carrocerías en aceros no galvanizados, siendo una limitación muy conocida

por los técnicos sus problemas en este grupo de aceros. Así pues, la puesta

en marcha y la optimización del proceso de taladrado por fricción en

atmosfera inerte en una aplicación industrial efectiva puede abrir toda una

línea de proceso aplicable a carrocerías, troquelarías, estampaciones de los

sectores de aceros de alta resistencia, que pueden verses muy interesados

en esta idea.

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Taladrado por fricción en aceros de doble fase de alta resistencia

89

ii. Durante el taladrado dependiendo de la intensidad de las alteraciones

metalúrgicas resultantes, las mismas pueden influir las características

mecánicas del material, como por ejemplo el aumento del límite elástico y la

variación de la dureza. Un mejor entendimiento y análisis de los fenómenos

de ablandecimiento y endurecimiento del material en la zona afectada

térmicamente, como ensayos en temperaturas ambientes variables podrían

ser realizados.

iii. Un mejor conocimiento en el análisis del taladrado por fricción y el roscado

por laminación en base a la aplicación de una herramienta de simulación

numérica permitirá controlar y predecir el proceso.

iv. Los fenómenos metalúrgicos implicados en los recubrimientos de Zinc durante

un proceso de conformación en caliente aquí estudiados abren camino a otros

proceso similares, que pueden ser mejor estudiados desde el punto de vista

tribológico y químico-mecánico entre el revestimiento, material base y

herramienta.

v. En el caso de los aceros martensíticos como el 22MnB5, utilizados en

estampación en caliente con el revestimiento a base de aluminio y silicio (Al-

Si), el estudio del comportamiento de la capa protectora durante el proceso y

su integridad en altas temperaturas debe ser mejor analizada.

vi. Se considera de capital importancia la convergencia entre los datos

experimentales y los datos obtenidos mediante simulación numérica. Así

pues, con la aplicación de una herramienta de simulación numérica en la

interacción del flujo de gas protector y las transformaciones termomecánicas

simultáneamente en el proceso, se puede aportar un nuevas informaciones

siendo posible controlar todo el proceso no solamente desde el punto de vista

de la parametrización experimental sino también de toda la física implicada en

el taladrado por fricción.

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Deividi Nardi

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