Metales en automotriz
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Metales en el auto
La reducción del peso del vehículo mediante la sustitución de materiales es uno de los elementos clave en la estrategia general para mejorar el ahorro de combustible y el control de emisiones. Si bien el material principal en los vehículos actuales son los aceros al carbono, ahora existe un gran interés en reemplazarlos con aceros avanzados de alta resistencia, aleaciones ligeras no ferrosas, como aleaciones de aluminio, magnesio y titanio, y una variedad de compuestos. incluidos los compuestos de fibra de carbono, los compuestos de matriz metálica y los nanocompuestos. Este capítulo es una descripción general amplia de estos materiales y sus aplicaciones en los automóviles.
Aceros
Aproximadamente el 55% del peso de los automóviles estadounidenses está hecho de acero. Hay varias ventajas de utilizar acero en estructuras de carrocería y paneles de carrocería. El más importante de ellos es su alto módulo de elasticidad, que a 207 GPa, es el más alto entre los materiales estructurales considerados para aplicaciones automotrices. El acero también es el material estructural más económico disponible en la actualidad. La amplia variedad de resistencias disponibles con acero, que van desde 200 MPa hasta 1500 MPa, también es una ventaja importante, ya que brinda la oportunidad de seleccionar acero de acuerdo con la necesidad de diseño estructural. El uso de aceros de alta resistencia permite no solo reducir el grosor del calibre, sino que también mejora la capacidad de carga y la resistencia a los choques de la estructura del vehículo. Además, la conformabilidad superior del acero en comparación con las aleaciones de aluminio y magnesio, la excelente soldabilidad y reciclabilidad son algunas de las razones del predominio del acero en los automóviles de hoy. La combinación de nuevas técnicas de aleación y procesos termomecánicos mejorados, como el recocido continuo y el laminado en caliente controlado, se utilizan ahora para producir no solo un amplio espectro de resistencia y ductilidad, sino también mejores cualidades superficiales y propiedades más uniformes en chapas de acero. Se logra una mejor resistencia a la corrosión mediante nuevos tipos de recubrimientos de aleación de zinc (por ejemplo, Zn-Fe y Zn-Ni), así como nuevos métodos para aplicarlos en las superficies de las láminas de acero (por ejemplo, por electrodeposición en lugar de inmersión en caliente).
Galvanneal
Un proceso relativamente nuevo, llamado galvanneal, es capaz de producir una resistencia superior a la corrosión, formabilidad y soldabilidad de chapas de acero revestidas. Se dispone de láminas de acero laminado con revestimientos exteriores de acero y una fina capa viscoelástica constreñida (normalmente de 0,025 mm de espesor) para controlar el ruido y las vibraciones.
Aleaciones de aluminio
La ventaja más importante de las aleaciones de aluminio sobre los aceros en aplicaciones de automoción es su baja densidad, que es de 2,7 g / cm3 en comparación con 7,87 g / cm3 para aceros. Por tanto, la densidad de las aleaciones de aluminio es aproximadamente un 65% menor que la de los aceros. Sin embargo, el módulo de las aleaciones de aluminio es de 70 GPa en comparación con 207 GPa de los aceros, lo que significa que para una rigidez a la flexión igual, un componente de aluminio será un 43,5% más grueso que un componente de acero. Como resultado, la reducción de peso lograda por el aluminio no estará en la misma proporción que la relación de densidad entre los dos materiales. Un simple cálculo de peso mostrará que la sustitución de un panel de carrocería de acero por un panel de carrocería de aluminio dará como resultado un ahorro de peso de aproximadamente un 50%. Tanto las aleaciones de aluminio fundido como las forjadas se utilizan en numerosas aplicaciones en automóviles. Las aleaciones de aluminio fundido se utilizan principalmente para componentes de motor, transmisión y suspensión, mientras que las aleaciones de aluminio forjado, en forma de láminas y extrusiones, se utilizan en componentes de estructura de carrocería y paneles de carrocería. Otra área de aplicación para las aleaciones de aluminio, como AA 1200 y AA 3005, es en intercambiadores de calor, que incluyen tubos y aletas de radiador y condensador. Las ventajas de utilizar aluminio en estas aplicaciones no son solo su alta conductividad térmica, sino su relación resistencia / densidad significativamente mayor en comparación con las aleaciones a base de cobre, que han sido materiales tradicionales para aplicaciones de intercambiadores de calor.
Aleaciones de magnesio
Las aleaciones de magnesio se consideran para aplicaciones de automoción principalmente debido a su muy baja densidad (1,74 g / cm3 en comparación con 2,7 g / cm3 de las aleaciones de aluminio). También tienen una relación resistencia-peso más alta en comparación con las aleaciones de aluminio. Por otro lado, el módulo de las aleaciones de magnesio es de 45 GPa, que es significativamente menor que el de las aleaciones de acero y aluminio; sin embargo, debido a su baja densidad, la relación módulo-densidad de las aleaciones de magnesio es la misma que la de las aleaciones de aluminio. Las aleaciones de magnesio tienen baja ductilidad y mala conformabilidad; pero muchas aleaciones de magnesio se pueden moldear en secciones delgadas de tan solo 2 mm de espesor. El método de fabricación común para fabricar componentes automotrices de magnesio es la fundición a presión, que brinda la oportunidad de consolidar las piezas y reducir los costos.
Aleaciones de titanio
Las principales ventajas de las aleaciones de titanio son su baja densidad, alta relación fuerza-densidad, excelente resistencia a la corrosión y retención de resistencia superior a temperaturas elevadas que van hasta 500°C. La densidad del titanio es de 4,43 g / cm3, que es más alta que la de las aleaciones de aluminio, pero significativamente más baja que la del acero. El módulo del titanio es 114 GPa, que también es más alto que el de las aleaciones de aluminio, pero casi la mitad del módulo del acero. El mayor inconveniente del titanio para aplicaciones automotrices es su alto costo en comparación con el acero, el aluminio y el magnesio. Sobre una base de peso unitario, el costo de la hoja de titanio es de $ 18 a $ 110 por kg en comparación con solo $ 0,70 a $ 1,30 por kg para la hoja de acero y $ 2,20 a $ 11 por kg para la hoja de aluminio (Froes et al., 2004 ). Sobre la base del costo, no se espera que el titanio compita con el acero o el aluminio en el panel de la carrocería o en las aplicaciones de la estructura de la carrocería. Sin embargo, el potencial de ahorro de peso con titanio existe en varias aplicaciones de automoción. Una de estas aplicaciones son los resortes helicoidales de suspensión, donde el módulo de cizallamiento relativamente bajo y la excelente resistencia a la fatiga del titanio le dan una ventaja sobre el acero. Dado que la deflexión del resorte es inversamente proporcional al módulo de corte, un resorte helicoidal de titanio se puede diseñar con menos espiras activas que un resorte helicoidal de acero, lo que contribuye no solo a la reducción de peso, sino también a aumentar la frecuencia natural de vibración.
Aceros inoxidables
La densidad y el módulo del acero inoxidable están muy cerca de la densidad y el módulo del acero y, por lo tanto, en aplicaciones de rigidez crítica, sustitución directa de acero con acero inoxidable no produce ninguna reducción de peso. En aplicaciones de resistencia crítica, el acero inoxidable puede proporcionar una reducción de peso sobre el acero por las siguientes razones.
- La relación entre el límite elástico y la densidad de varios aceros inoxidables es mayor que la de los aceros de alta resistencia.
- El acero inoxidable tiene un coeficiente de endurecimiento por trabajo y una capacidad de conformación más altos que el acero, lo que significa que puede tolerar una deformación plástica uniforme más alta y una reducción del espesor durante el conformado.
- El acero inoxidable tiene una mayor sensibilidad a la tasa de deformación que el acero, lo que significa que puede absorber una mayor energía de impacto que el acero.
Además, también tiene la capacidad de colapsar progresivamente de manera controlada. Otra gran ventaja del acero inoxidable es su resistencia a la corrosión. Es posible que no se necesiten revestimientos anticorrosión si se usa acero inoxidable en lugar de acero. A pesar de las ventajas anteriores, el acero inoxidable ha encontrado muy poca aplicación en la estructura de automóviles debido a su alto costo. Algunas aplicaciones estructurales en las que se ha probado el acero inoxidable son los tanques de combustible, los brazos articulados y las ruedas.
Hierro colado (Cast)
Con un uso creciente de Aceros de alta resistencia y aleaciones ligeras no ferrosas, el contenido de hierro fundido en los automóviles ha disminuido considerablemente en los últimos años. El hierro fundido, debido a su densidad tan alta como la del acero, no ofrece ninguna ventaja de ahorro de peso. Además, el hierro fundido es un material de baja ductilidad. Las principales ventajas de la fundición para la que se sigue utilizando son su bajo coste, alta resistencia al desgaste, amortiguación y excelente maquinabilidad. El hierro fundido se utiliza en muchas aplicaciones de motores. Una de estas aplicaciones del motor es el bloque de cilindros. Aunque el aluminio se utiliza cada vez más para fabricar bloques de cilindros en motores de gasolina, el hierro fundido gris sigue siendo el material predominante para los bloques de cilindros en motores diésel. Con la creciente tendencia hacia motores más pequeños y mayores presiones en los cilindros, el hierro de grafito compactado (CGI) está encontrando un uso cada vez mayor en lugar del hierro fundido gris. Las partículas de grafito en CGI están en forma vermicular o parecida a un gusano en lugar de la forma escamosa observada en el hierro fundido gris o la forma esférica observada en el hierro fundido nodular. Como resultado, las propiedades de CGI se encuentran entre el hierro fundido gris y el hierro fundido nodular. La resistencia a la tracción de CGI es de 1,5 a 2 veces mayor que la del hierro fundido gris, y el módulo de CGI es 150 GPa en comparación con 105 GPa para el hierro fundido gris. La conductividad térmica de CGI es menor: 38 W/m-°K en comparación con 48 W/m-°K para el hierro fundido gris. Con mayor resistencia, mayor módulo y menor conductividad térmica, los bloques de cilindros CGI pueden diseñarse con un espesor menor que los bloques de cilindros de hierro fundido gris. Los hierros fundidos que se utilizan en aplicaciones automotrices estructurales son hierros dúctiles, que tienen un alto límite elástico (275–625 MPa) y una ductilidad relativamente alta (2–18% de alargamiento). El módulo de los hierros dúctiles está entre 160-170 GPa, que es considerablemente más alto que el del aluminio. Los hierros dúctiles se utilizan en nudillos de dirección, pinzas de freno, cigüeñales, árboles de levas y muchos otros componentes del tren motriz. El hierro dúctil austemperado (ADI), producido por un proceso de tratamiento térmico llamado austempering, tiene un límite elástico significativamente mayor (400-1200 MPa) y una mayor tenacidad a la fractura que los hierros dúctiles convencionales. La relación entre el límite elástico y la densidad de ADI es considerablemente más alta que la del aluminio fundido o forjado. Esta es la razón para seleccionar ADI en lugar de las aleaciones de aluminio en muchos componentes de chasis y suspensión.