Elementos Estructurales del Vehículo

ELEMENTOS ESTRUCTURALES DEL VEHÍCULO se detiene en las grandes máquinas que hay que emplear en los estirajes (con atención singular a las bancadas para la reparación de cabinas de camiones y de motocicletas). Y en la operativa que se ha de seguir para el planteamiento de los estirajes. ELEMENTOS ESTRUCTURALES DEL VEHÍCULO enseñará al alumnado a efectuar la diagnosis de una carrocería siniestrada y a decidir el empleo o no de bancadas para su reparación. El estudiante podrá analizar y asimilar, con profusión de recursos multimedia, diversos procesos prácticos de estiraje sobre turismos, cabinas de camiones, chasis de semirremolques y motocicletas. Las medidas de seguridad e higiene disfrutan de un extenso apartado final. Cierra ELEMENTOS ESTRUCTURALES DEL VEHÍCULO un capítulo en el que se periodifica el mantenimiento de la bancada.

Í NDICE 1. Materiales usados en la fabricación de carrocerías 1.1. Aceros empleados en la fabricación de carrocerías 1.1.1. Aceros al carbono para la embutición

1.1.2. Aceros endurecibles en horno (BH/Bake Hardenable) 1.1.3. Aceros de alta resistencia (HSS/ High Strength Steel) 1.1.4. Aceros de ultra alta resistencia (UHSS/Ultra High Strength Steel) 1.2. Aluminio en la fabricación de carrocerías 1.2.1 Ventajas del aluminio en la fabricación de carrocerías 1.2.2. Endurecimiento del aluminio 1.2.3 Principales aleaciones de aluminio 1.2.4. Concepción de una carrocería fabricada en aluminio 1.3. Magnesio en la estructura de la carrocería 1.3.1. Designación de las aleaciones de magnesio EXAMÍNATE Y PRACTICA 2. Tipos de carrocerías. Características estructurales 2.1. Carrocería autoportante 2.1.1. Célula de seguridad 2.1.2. Parte frontal 2.1.3. Parte posterior 2.2. Bastidor independiente

2.2.1. Vehículos todoterreno 2.2.2. Vehículos industriales

2.3. Vehículos agrícolas 2.3.1. Tractores 2.3.2. Cosechadoras 2.4. Motocicletas

2.4.1. Piezas de una motocicleta 2.4.2. Chasis

EXAMÍNATE Y PRACTICA

3. Teoría de la colisión 3.1. Comportamiento de la carrocería autoportante ante una colisión 3.1.1. Resistencia de la carrocería 3.1.2. Diseño de la carrocería 3.2. Fuerzas involucradas en una colisión 3.3. Transmisión de fuerzas 3.4. Tipos de daños 3.5. Análisis de colisiones tipo

3.5.1. Colisión frontal 3.5.2. Colisión trasera 3.5.3. Colisión lateral 3.5.4. Vuelco 3.6. Crash test de homologación

3.6.1. Impacto frontal 3.6.2. Impacto lateral

3.7. Pruebas Euro NCAP 3.8. Crash test CESVIMAP 3.9. Teoría de la colisión en motocicletas 3.9.1. Crash test de motocicletas CESVIMAP 3.10. Teoría de la colisión en vehículos industriales 3.10.1.Deformaciones estructurales EXAMÍNATE Y PRACTICA 4. Metrología aplicada al control de las carrocerías 4.1. Conocimientos básicos de la metrología 4.2. Instrumentos para el control de magnitudes lineales 4.3. Instrumentos para el control de magnitudes angulares EXAMÍNATE Y PRACTICA

5. Diagnosis de una carrocería siniestrada 5.1. Metodología de la diagnosis 5.1.1. Inspección visual

5.1.2. Herramientas y utillaje empleados en la diagnosis de la carrocería EXAMÍNATE Y PRACTICA 6. Bancadas. Fundamentos y tipos 6.1. Necesidad de la bancada 6.2. Fundamento de la bancada 6.2.1. Planos de referencia 6.3. Caracerísticas generales que deben reunir las bancadas 6.4. Elementos que constituyen la bancada 6.4.1. Banco de estiraje 6.4.2. Sistemas de medición o control 6.4.3. Equipamiento auxiliar 6.5. Tipos de bancada

6.5.1. Bancadas de control positivo 6.5.2. Sistemas de medición o control 6.5.3. Minibancos

6.6. La ficha de bancada

6.6.1. Interpretación de la ficha de bancada 6.7. Equipos de reparación de vehículos industriales 6.7.1. Bancada de raíles

6.7.2. Bancada de raíles, con foso 6.7.3. Bancada de plataforma rígida 6.7.4. Bancada para la reparación de cabinas

6.8. Bancada de motocicletas

6.8.1. Elementos de una bancada de motocicletas 6.8.2. Tiros fundamentales

EXAMÍNATE Y PRACTICA

7. Metodología del trabajo de bancada 7.1. Principios básicos de estiraje

7.1.1. Representación gráfica de una fuerza 7.1.2. Suma de fuerzas 7.1.3. Momento de una fuerza 7.2. Conformación de deformaciones tipo en bastidores independientes 7.2.1. Deformaciones tipo 7.2.2. Diagnósis de las deformaciones 7.2.3. Conformación 7.3. Operativa del trabajo en bancada EXAMÍNATE Y PRACTICA 8. Procesos prácticos de estiraje 8.1. Reparación en bancada de impactos frontales 8.1.1. Reparación de un golpe delantero en bancada 8.1.2. Reparación de un pequeño golpe 8.2. Reparación en bancada de un impacto lateral 8.3. Verificación de un chasis de motocicleta en bancada 8.4. Reparación de un chasis de motocicleta en bancada 8.5. Reparación de la cabina de un camión 8.6. Reparación de semirremolques en bancada EXAMÍNATE Y PRACTICA 9. Protección y seguridad en los trabajos en bancada

9.1. Riesgos de los trabajos en bancada 9.2. Medidas de protección y seguridad EXAMÍNATE Y PRACTICA

10. Mantenimiento general de la bancada 10.1. Mantenimiento del banco de trabajo 10.2. Mantenimiento del equipo de medida 10.3. Mantenimiento del sistema de tiro y del equipo auxiliar

EXAMÍNATE Y PRACTICA

1 Materiales usados en la fabricación de carrocerías

APRENDERÁS...

• Los diversos tipos de acero que se manejan para la fabricación de carrocerías y cuáles son sus aplicaciones en función de sus propiedades. Conocerás cómo se obtienen y qué cualidades aportan en cuanto a resistencia estructural y peso. • Ventajas del aluminio como material para la construcción de carrocerías, considerando sus diferencias respecto del acero. También sabrás cómo se puede fabricar una carrocería íntegramente en aluminio y cuáles son sus puntos fuertes.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Í NDICE

1.1. Aceros empleados en la fabricación de carrocerías 1.1.1. Aceros al carbono para la embutición

1.2.1 Ventajas del aluminio en la fabricación de carrocerías 1.2.2. Endurecimiento del aluminio 1.2.3 Principales aleaciones de aluminio 1.2.4. Concepción de una carrocería fabricada en aluminio

1.3. Magnesio en la estructura de la carrocería 1.3.1. Designación de las aleaciones de magnesio

EXAMÍNATE Y PRACTICA

1. Materiales usados en la fabricación de carrocerías El automóvil actual es un conglomerado de materiales de la más diversa naturaleza, adaptados a diferen- tes necesidades y requisitos. Entre ellos, destacan el acero, el aluminio, el magnesio, los materiales plásticos y compuestos, etc. También puede encontrarse una mezcla de ellos para la fabricación de una misma pieza, dando lugar a elementos híbridos (por ejemplo, se construyen frentes híbridos de acero y poliamida) 1 .

EVOLUCIÓN DEL USO DE MATERIALES (Modelos similares en un mismo fabricante)

Berlina años 90

Berlina desde 2000

Acero

63%

46,2%

Aluminio

19,5%

Metales no férreos

2,5%

Plásticos

11%

3,5%

Goma

Vidrio

Elementos operacionales (lubricantes, refrigerantes, pintura)

4,5%

6,4%

Otros

14%

8,4%

La adecuada selección y aplicación del material que se va a emplear para un fin determinado es un pro- blema crucial, tanto en las etapas de diseño como de desarrollo. Los factores que influyen en la elección de un material u otro, así como los criterios a la hora de seleccionarlo, son muy diversos; por ello, es difícil genera- lizar o establecer una pauta sistemática. No obstante, habrá que tener siempre presentes factores tales como prestaciones, duración, proceso de fabricación, disponibilidad de material, fiabilidad, etc., compatibilizando todo ello con un mínimo coste y un peso adecuado.

Reino

Familia

Clase

Miembro

Atributos

• Cerámicas

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Acero

Densidad Prop. mecánicas

• Polímeros

Aleac.- Cu

Prop. térmicas Prop.eléctricas Prop.ópticas Prop. corrosión Información de soporte: • Específica • General

Materiales

• Metales

Aleac.-Al

• Natural

Aleac.-Ti

• Espumas

Aleac.-Ni

• Compuestos

Aleac.-Mg

Ejemplo de selección de materiales: selección de aluminio serie 6000

Material seleccionado

1 Los materiales plásticos pueden ser de muy diversos tipos, entre los que se incluyen productos de alta tecnología, como los materiales compuestos. Se emplean no sólo para la fabricación de accesorios, sino que también tienen una destacada presencia en la fabricación de paneles de la propia carrocería. Ahora bien, salvo excepciones, se usan, fundamentalmente, para paneles exteriores, sin que participen en la transmisión de esfuerzos. Por su reducido compromiso estructural, no se consideran en este libro.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

1.1. Aceros empleados en la fabricación de carrocerías El acero ha sido el material más empleado, tradicionalmente, en la fabricación de carrocerías, debido a las siguientes razones: • Presenta la mejor relación coste-resultados. • Se ha utilizado con gran amplitud en procesos de transformación y fabricación y existe una gran infraes- tructura industrial desarrollada a su alrededor. • Proporciona resistencia y rigidez con una relación peso/coste razonable.

• Posee alta capacidad de absorción de energía. • Tiene buenas propiedades frente a la fatiga. • Es altamente conformable.

Además, cumple otros requisitos más específicos para la industrial del automóvil: • Apto para recibir acabados de pintura de calidad. • Buena resistencia a la corrosión (aceros prerrevestidos). • Mejora en el peso final de la estructura (aceros de alto límite elástico y aleados).

• Apto para recibir revestimientos superficiales (revestimientos electrolíticos, fosfatación, pintura).

• Fácil de embutir.

• Buena soldabilidad.

Recuerda

Los aceros empleados para la fabricación de carrocerías pueden agruparse en tres categorías: aceros al carbono para embutición, aceros de alta resistencia y ace- ros de muy alta resistencia.

1.1.1. Aceros al carbono para la embutición

Aceros con estructura metalográfica de grano fino, con un contenido de carbono normalmente inferior al 0,20%. Puede contener pequeños porcentajes de manganeso (Mn) y sicilio (Si). Presentan buena aptitud para la embutición (ductilidad), por lo que se pueden conseguir piezas con for- mas más o menos complejas, de aspecto liso, libre de rayas y rugosidades. Se obtienen por laminación en caliente o en frío. Glosario

Embutición: Proceso de conformación por deformación plástica. Partiendo de una chapa plana con superficie desarrollable se obtiene un cuerpo hueco, bajo la acción conjunta del punzón y la matriz.

Debes saber La laminación en frío permite espesores más delgados, mejora las propiedades mecánicas y la maquinabilidad, proporciona un acabado brillante y permite una gran perfección en las dimensiones geométricas.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Aceros laminados en caliente Se producen en cuatro calidades diferentes: embutición normal, embutición profunda, profunda resisten- te al envejecimiento y embutición extraprofunda. Algunos fabricantes de acero contemplan la superprofunda, pero está fuera de normas. Son diseñados para sufrir deformaciones en frío, desde las más sencillas (DD11) a las más exigentes (DD14).

En líneas generales, los aceros laminados en caliente presentan las siguientes características:

• Mínima presencia de nitrógeno libre, lo que evita el envejecimiento del material.

• Características mecánicas muy isotrópicas (las propiedades del material son independientes de la dirección enla que se apliquen las fuerzas). • Grano fino, que mejora la embutición y previene la piel de naranja, razón por la que son muy apro piados para la industria del automóvil.

Composición química y características mecánicas de los aceros laminados en caliente

Composición química de colada (% max.)

Características mecánicas (MPa)

Tipo

Grado Designación

Resistencia a tracción σr

Limite elástico σe

0,045

Normal

170-360

DD11

0,12

0,60

0,045

440

DD12

Profunda

0,035

170-340

0,10

0,45

0,035

420

Profunda resistente al envejecimiento

0,030

170-330

Embutición

DD13

0,08

0,40

400

DD14

0,08

0,35

0,025

170-310

380

Extraprofunda

Superprofunda (1)

0,020

170-290

Extra DD14

0,25

0,020

360

0,06

(1) No está contemplado en la norma.

Recuerda La aptitud para la conformación decrece con el incremento de la resistencia y la dureza.

Aceros laminados en frío Suelen estar disponibles en dos clases de acabados: superficial normal y superficial semibrillante.

A. Acabado superficial normal

Son admisibles algunos defectos como poros, ligeras rayas, pequeñas marcas o leves coloraciones que no afectena la conformabilidad o adherencia de los recubrimientos superficiales.

B. Acabado superficial semibrillante

La cara de mejor aspecto está prácticamente libre de defectos y no debe afectar al aspecto uniforme de la pintura o a un acabado electrolítico. La otra tendrá, al menos, el acabado A.

Los diferentes tipos de acabado existentes son definidos por sus valores de rugosidad (Ra).

Brillante ....................................................................... Ra ≤ 0,4 μ Semi-brillante ............................................................... Ra ≤ 0,9 μ Normal ......................................................................... 0,6 < Ra < 1,9 μ Rugoso ......................................................................... Ra > 1,6 μ

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Composición química y características mecánicas de los aceros laminados en frío

Composición química de colada (% max.)

Características mecánicas (MPa)

Grado de embutición

Estado de desoxidación

Designación

Resistencia a tracción σr

Limite elástico σe

0,045 0,045

Moderada

DC01

280

A elección

0,12

0,60

270/410

Calmado

Profunda

DC03

0,035

240

0,10

0,45

0,035

270/370

Profunda

DC04

0,030

210

Calmado

0,08

0,40

270/350

Calmado

0,06

0,35

DC05

0,025

180

270/330

Extraprofunda

DC06

0,020

180

0,3

Calmado

0,25

0,020

270/350

0,02

Extraprofunda

En resumen, están presentes las siguientes calidades de acero desde el punto de vista de su actitud para la conformación.

Aceros al carbono para la embutición

Embutición normal

Embutición profunda

Aceros laminados en caliente

Embutición profunda resistente al envejecimiento

Embutición extraprofunda

Embutición superprofunda (no es muy normal)

Embutición moderada

Aceros laminados en frío

Embutición profunda

Embutición extraprofunda

1.1.2. Aceros endurecibles en horno (BH/Bake Hardenable)

Son una nueva clase de productos de acero, desarrollados específicamente para la industria del automó- vil, con el propósito de eliminar un paso caro en el proceso de fabricación, el tratamiento térmico convencional. Fueron desarrollados en 1980 por Sumitomo Metal Industries para conseguir un acero que alcanzase unas propiedades mecánicas notables mediante un tratamiento térmico a muy bajas temperaturas ( 170 °C, frente a los 600 °C habituales). Como esta solución es imposible con aceros aleados, se partió de aceros al carbono, a los que se les adicionó nitrógeno, entre otros elementos. El resultado es un acero que combina la buena formabilidad del producto de partida con la alta resisten- cia de la aplicación final. Puede sustituir al acero para embutición sin realizar grandes modificaciones en las prensas.

Debes saber El acero endurecible en horno es un buen material para aplicaciones por embu- tición y estiramiento, en las que sea importante la resistencia a pequeños impactos y el acabado superficial.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

La resistencia final se obtiene por un doble camino:

• Estiramiento mecánico: proceso de transformación (estampado, embutición…), que da lugar a dis- locaciones. Dislocaciones son imperfecciones de la estructura cristalina del metal que ejercen un acusado efecto sobre propiedades de dicha estructura como la resistencia, dureza, ductibilidad y tenacidad. • Tratamiento térmico: ciclo de pintura en el horno ( 170 °C; 20-30 min.), que producirá el bloqueo de dichas dislocaciones.

Efecto del endurecimiento

Las propiedades del producto acabado estarán en función del grado de estiramiento en el proceso de embutición y de la temperatura del horno de pintura. Estos aceros destacan por su buena soldabilidad, debido a los bajos niveles de carbono. Si se utilizan apropiadamente presentan buena resistencia a la fatiga y frente a los pequeños impactos. Están presentes, por tanto, en la fabricación de paneles exteriores. Este tipo de aceros suelen emplearse en la fabricación de elementos como puertas, aletas, costados, capós y techos. Todavía no está decidido un estándar que permita definir las propiedades mecánicas de estos aceros. Algunos fabricantes de automóviles indican que el incremento del límite elástico esperado es de unos 70 MPa, obteniéndose límites elásticos del orden de 280 MPa. En resumen, se trata de aceros que dan respuesta a las demandas de embutibilidad, resistencia a peque- ños impactos y aligeramiento de las piezas.

Proceso de endurecimiento

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Hoy en día, la carrocería de un automóvil está fabricada mediante el uso de diferentes tipos de acero, con propiedades muy variadas. Esta circunstancia supone que su clasificación resulte compleja, así como que su distribución por el automóvil difiera de unos modelos a otros. En este sentido, se podría hablar de dos grandes grupos: aceros de «alta resistencia» (HSS) y aceros de «ultra alta resistencia» (UHSS). Acotar esos dos grupos no es una tarea sencilla, debido a que las numerosas familias de productos exis- tentes impiden delimitar claramente una frontera, existiendo productos que podrían encuadrarse en ambos grupos.

Recuerda En términos de la industria automovilística, suelen considerarse aceros de alta resistencia aquéllos cuyo límite elástico oscila entre 210 y 550 Mpa. Y de muy alta resistencia, los que sobrepasan ese límite.

A continuación, se relacionan los tipos empleados más frecuentemente en la fabricación de carrocerías.

1.1.3. Aceros de alta resistencia (HSS / High Srenght Steel)

Dentro de los aceros de alta resistencia, se incluyen los denominados aceros microaleados o dispersoi- des, los refosforados, los aceros sin intersticiales y los isótropos. Aceros microaleados o dispersoides (HSLA/ High Strenght Low Alloy) Pueden considerarse como aceros de construcción clásicos aquellos a los que se les añaden pequeñas cantidades de ciertos elementos de aleación (Nb, V, Ti) que, junto con el carbono y el nitrógeno, forman micro- constituyentes altamente eficaces (carbonos, nitruros y carbonitruros), que mejoran sus propiedades en los procesos termomecánicos controlados. La principal característica de estos aceros es obtener altas propiedades resistentes, manteniendo bajos niveles de carbono. Esto supone una tenacidad y soldabilidad notablemente superiores a las que se obtendrían al intentar alcanzar niveles iguales de resistencia en los aceros clásicos, por el procedimiento habitual de au- mentar el carbono y/o los elementos aleantes. Es interesante destacar las ventajas económicas en su producción al haber suprimido y simplificado las operaciones de tratamiento térmico. Además, se ahorra en materias primas, al eliminarse o reducirse ciertos elementos de aleación considerados estratégicos, con precios sujetos a importantes fluctuaciones.

El principal inconveniente es su dificultad de embutición por:

• Problemas de superficie (gripado).

• Problemas para obtener la forma definitiva, debido al grado de recuperación elástica del material.

Estos inconvenientes se mejoran en parte al introducir el desgasificado en vacío y/o el control de las in- clusiones.

Las principales ventajas son:

• Disminución del espesor de la chapa, para un nivel de resistencia dado.

• Aumento de la rigidez, disminuyendo la deformabilidad de la chapa.

• Alto límite elástico.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Estos aceros pueden ser laminados en caliente y en frío. Sus características son:

Composición química (%)

≤ 0,10

≤ 0,50

≤ 0,030

≤ 0,030 0,020 a 0,080 0,010 a 0,060 0,010 a 0,080 0,010 a 0,120

0,20 a 0,80

Características mecánicas

• Límite elástico: 28 ÷ 46 kg/mm 2

• Tensión de rotura: 37 ÷ 65 kg/mm 2

• Alargamiento: 15% ÷ 28%

Glosario Límite elástico: Es la tensión máxima que puede soportar un material elástico sin sufrir deformaciones permanentes.

Aceros refosforados Los aceros refosforados surgen por necesidad de mejorar las características de embutición y el aspecto superficial de los aceros microaleados. Se trata de aceros extradulces (con bajo contenido de carbono), cal- mados al aluminio y con un contenido máximo en fósforo (P) de 0,1%, con el fin de conservar una soldabilidad aceptable. El fósforo facilita la embutición y contribuye a evitar la corrosión. Los aceros refosforados se obtienen a partir de un tratamiento químico en cuchara, que consiste en aña- dir fósforo, que actuará como agente endurecedor mecánico en el posterior proceso de laminación. El endurecimiento se obtiene mediante una solución sólida del fósforo en la red de Fe-a (ferrita) y una precipitación fina del mismo, al calentarlo a 170 °C durante 20 minutos. Así se obtienen aceros con un relativo bajo límite elástico antes del proceso de conformación y una alta resistencia en la pieza terminada. El nivel de resistencia final dependerá de la deformación inducida en el proceso de conformación. Composición química (%)

0,10

0,30

0,20 a 0,80

Características mecánicas

• Límite elástico: 15 ÷ 21 kg/mm 2

• Tensión de rotura: 25 ÷ 35 kg/mm 2

• Alargamiento: 28% ÷ 34% Aceros sin intersticiales (IF/ Interstitial Free) Estos aceros han sido diseñados para lograr un buen equilibrio entre las características de embutición y la resistencia mecánica. Su endurecimiento se debe a la puesta, en la ferrita, de una solución sólida de manganeso, silicio y fósfo- ro. La metalurgia sin elementos de inserción optimiza las características de embutición. Estos aceros resultan particularmente aptos para piezas complejas, que requieren simultáneamente al- tas características mecánicas, como pases de rueda, refuerzos…

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Debido a su gran potencial de consolidación durante los procesos de conformación, proporciona, a aque- llas piezas sometidas a embutición profunda, una buena resistencia frente a pequeños impactos. Existen diferentes calidades. Unas son más adecuadas para piezas externas y visibles; otras, para piezas cuya estructura implica que su embutición sea compleja, como largueros, traviesas, etc.

Las principales calidades se indican en esta tabla.

Características mecánicas (MPa)

Resistencia a tracción ( σr)

Limite elástico ( σe)

Calidades

180-230

IF 180

340-400

220-260

IF 220

350-400

260-300

IF 260

380-440

300-340

400-460

IF 300

Microestructura del grado IF 180

Aceros isótropos (IS / Isotropic Steel) Gama de aceros disponible por determinados fabricantes, con la que se logra una buena conformación (con una alta isotropía), asociada a una mayor resistencia a los pequeños impactos. Su metalurgia suele estar basada en añadir elementos endurecedores como manganeso (Mn) y silicio (Si), por ejemplo, a una composi- ción de referencia que permita alcanzar una alta ductilidad.

Glosario Ductilidad: Es la propiedad que presentan algunos metales y aleaciones para, bajo la acción de una fuerza, deformarse sin romperse, permitiendo la obtención de alambres o hilos.

La microestructura de estos aceros se caracteriza por granos equiaxiales, que son los que le aportan su fuerte isotropía.

Características mecánicas (MPa)

Resistencia a tracción ( σr)

Limite elástico ( σe)

Calidades

220-260

IS 220

300-380

260-300

IS 260

320-400

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Microestructura del grado IS 220

1.1.4. Aceros de ultra alta resistencia (UHSS / Ultra High Strength Steel)

En este grupo se incluyen aquellos aceros que presentan un límite elástico superior a 550 MPa.

Los aceros de alta y ultra alta resistencia se solapan, encontrándose la principal diferencia en su microes- tructura. Los aceros de muy alta resistencia son multifase, que contienen martensita, bainita y/o austenita, retenidas en cantidad suficiente para producir propiedades mecánicas únicas.

Aceros utilizados en la carrocería

Aceros de doble fase (DP / Dual Phase) Se han convertido en uno de los más populares y versátiles de la industria del automóvil. Se emplean, comúnmente, en aplicaciones estructurales, donde están reemplazando a aceros más populares, como los de alta resistencia y baja aleación (HSLA) o dispersoides. Son aceros con un bajo contenido de carbono y sin elementos de aleación. Su estructura se modifica al someterlos a un tratamiento térmico consistente en un calentamiento por encima de su temperatura de trans- formación, seguido de un enfriamiento rápido, perfectamente controlado.

En lugar de obtener una estructura ferrita-perlita, se obtiene una estructura ferrita-martensita. La ferrita es la fase blanda, que hace de matriz, aportando ductilidad. La martensita, en contenidos del 5 al 15%, es la fase dura, que aporta resistencia. Siem- pre que no se supere el 20% de martensita, se seguirá conservando una gran ductilidad en este tipo de acero, consiguiendo una buena soldabilidad.

Traviesa delantera fabricada en acero de doble fase

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Entre las principales características de los aceros de doble fase destacan:

• Comportamiento predecible en los procesos de estampación.

• Excelente respuesta a la fatiga y alta resistencia mecánica, que les proporciona una buena capacidad de absorción

de energía, motivo por el que su aplicación es idónea para elementos estructurales y de refuerzo.

• Alto potencial de reducción de peso (hasta un 40% comparado con el acero HSLA equivalente).

• Cumple con los requerimientos de seguridad demandados por la industria del automóvil. Composición química (%)

0,10

0,55

0,020

0,003

0,030

1,58

Características mecánicas

• Límite elástico: 36 ÷ 48 kg/mm 2

• Tensión de rotura: 60 ÷ 80 kg/mm 2

• Alargamiento: 22% Aceros de fase compleja o multifase (CP / Complex Phase)

El desarrollo optimizado de aceros multifase con una combinación resistencia-capacidad de deformación mejorada ofrece un significativo potencial en lo que a la reducción de peso se refiere, lo cual hace de este tipo de acero un producto muy idóneo para múltiples aplicaciones, incluida la fabricación del automóvil. Estos aceros presentan una microestructura muy fina de ferrita y un gran volumen de fracciones de fases duras (bainita, martensita), que actuarán en forma de precipitados finos, que endurecerán el acero. Emplea el mismo tipo de elementos de aleación que los aceros de Doble Fase y por Transformación Plás- tica Inducida (TRIP), presentando adicionalmente pequeñas cantidades de niobio (Ni), titanio (Ti) y/o vanadio (V), que darán lugar a precipitados endurecedores. Debes saber Los aceros multifase se comportan muy bien ante impactos, mostrando gran deformabilidad y alta capacidad de absorción de energía.

Se suelen emplear en elementos que requieran alta capacidad de absorción de energía, como refuerzos de paragolpes, pilares centrales, etc.

Características mecánicas (MPa)

Resistencia a tracción ( σr)

Limite elástico ( σe)

Calidades

360-440

CP 600

600-700

> 750

620-750

CP 750

> 780

680-830

CP 800

700-850

980-1200

CP 1000

> 1200

900-1150

CP 1200

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Aceros por transformación plástica inducida (TRIP / Tranformation – Induced Plasticity) Los aceros TRIP son unos de los más nuevos y espectaculares que se han desarrollado para la industria. Presentan la mejor ductibilidad para el nivel de resistencia alcanzado, debido a su particular microestructura. Su microestructura consiste en una matriz continua de ferrita, que contiene, en dispersión, segundas fases duras, como martensita y/o bainita. Estos aceros también contienen fracciones de austenita retenida en porcentajes superiores al 5% en volumen.

Son aceros que se caracterizan por su alta resistencia y buena capacidad de absorción de energía.

Presentan un importante efecto «bake hardening» después de la deformación. Esta propiedad, que apa- rece después del tratamiento de cocción de la pintura, les aporta mayor resistencia, que permitirá aligerar los elementosestructurales y de refuerzo.

Características mecánicas (MPa)

Resistencia a tracción ( σr)

Limite elástico ( σe)

Calidades

380-480

TRIP 590

590-700

410-510

TRIP 690

690-800

450-550

TRIP 780

780-900

Composición química (%)

Al+Si

< 0,250

< 2,0

Características mecánicas

• Límite elástico: 38 ÷ 55 kg/mm 2

• Tensión de rotura: 59 ÷ 90 kg/mm 2

• Alargamiento: > 23%

Aceros al boro (B / Boron) El boro es un potente elemento aleante del acero; añadido en muy pequeñas cantidades (alrededor del 0,001 %) tiene un importante efecto en la dureza del material. El efecto endurecedor conseguido varía en fun- ción del contenido de carbono del acero, siendo más efectivo su resultado en los aceros con bajo contenido de carbono. Los aceros al boro son aceros de altas características mecánicas, que se sitúan en la gama de los desa- rrollados para responder a las exigencias de aligeramiento de los vehículos. Se trata, por tanto, de un acero de estampación destinado a piezas estructurales y de seguridad del automóvil. Los aceros al boro están diseñados para recibir un tratamiento térmico durante o después de la operación de estampación. Las características mecánicas finales permiten obtener un aligeramiento muy significativo (hasta un 50%), presentando un buen comportamiento frente a solicitaciones mecánicas.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

El acero al boro empleado en la fabricación de elementos estructurales de la carrocería suele presentar un límite elástico del orden de 1.200 MPa. Se emplean, fundamentalmente, para funciones anti-intrusión en el vehículo: pilar central, barras de protecciónlateral, almas de paragolpes, faldones y sus refuerzos, etc.

Características mecánicas (MPa)

Resistencia a tracción ( σr)

Limite elástico ( σe)

1200

1600

Debes saber Las propiedades mecánicas implican una readaptación del taller en lo referente a las técnicas y herramientas empleadas.

Aceros martensíticos (MART) En los aceros martensíticos la austenita presente durante el laminado en caliente o el recocido se trans- forma casi enteramente en martensita durante la fase de enfriamiento del recocido. En su microestructura hay presentes, de forma importante, láminas de martensita, que les proporcionan altos niveles de resistencia, del orden de 1.500 MPa de carga de rotura. Estos aceros, a menudo, están sujetos a un tratamiento térmico de cara a mejorar su ductilidad, pudiendo llegar a presentar una capacidad de con- formación importante, incluso para niveles de resistencia muy altos.

Aceros utilizados en la carrocería

1.2. Aluminio en la fabricación de carrocerías

El aluminio es el tercer material más abundante en la naturaleza, después del oxígeno y del silicio. Enca- bezan el grupo de los metales. Esta circunstancia, unida a sus características y propiedades, hacen de él un material interesante para múltiples aplicaciones, siendo, en la actualidad, el segundo material metálico más empleado. Debes saber

El único inconveniente que presenta el aluminio es que su proceso de obtención, mediante electrólisis, a partir de la alúmina, consume una gran cantidad de energía.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

El consumo de aluminio es absorbido prácticamente por cuatro sectores: transporte, eléctrico, construc- ción y embalajes. El automóvil se encuadra dentro del sector transporte.

Fuente: Ducker Worlwide Porcentajes de empleo del aluminio en la fabricación de vehículos

Desde mediados de los años 70 el porcentaje de utilización de aluminio en el automóvil se ha multiplicado prácticamente por tres. En la actualidad, más de cien piezas diferentes de un vehículo están fabricadas con aluminio, y su penetración en este sector sigue creciendo. En el campo de la carrocería, el aluminio ha venido empleándose en un gran número de vehículos para la fabricación de paneles exteriores de gran superficie, capós y costados, fundamentalmente. Ello ha permitido alcanzar un ahorro en peso entre el 40 y el 60%, comparado con la misma pieza fabricada en acero.

Debes saber Las buenas propiedades y, sobre todo, el bajo peso específico del aluminio fa- cilitan una elevada relación resistencia-peso y le auguran un gran desarrollo en la fabricación de elementos de la carrocería.

La aplicación del aluminio frenará el aumento de peso que han experimentado progresivamente los vehí- culos e, incluso, lo reducirá. Los constructores de vehículos han tenido muy en cuenta este dato, debido a la in- fluencia determinante que ejerce el peso sobre el consumo de energía y la contaminación del medio ambiente.

1.2.1. Ventajas del aluminio en la fabricación de carrocerías

Entre las ventajas que aporta el aluminio para la fabricación de carrocerías, destacan las siguientes:

• Su peso específico es, aproximadamente, la tercera parte que el del acero, lo que puede llegar a suponer una disminución del 40% del peso total de la carrocería. • El óxido de aluminio forma una fina capa muy estable, que se renueva periódicamente, pasivando al aluminio y, por lo tanto, evitando la degradación del material. • Las aleaciones de aluminio puede reciclarse fácilmente al final de su vida útil. Para su reaprovecha- miento, se precisa mucha menos energía que para la obtención del aluminio primario o metalúrgico.

• Posee valores de rigidez (a torsión y flexión) favorables.

• Buena conformabilidad. La conformabilidad de las piezas es notablemente mejor y más fácil de lograr que la del acero, mediante embutición o extrusionado, con menores gastos energéticos.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

• Adecuado para unirlo mediante soldadura MIG (Metal Inerte Gas).

• Gran capacidad de absorción de energía. Por ello, aunque la carrocería de algunos vehículos sea de acero,montan como absorbedores de impacto o almas de paragolpes elementos de aluminio.

• No es tóxico.

Traviesa de aluminio

Propiedades del aluminio En la tabla adjunta, se indican las propiedades y características más significativas del aluminio, que van a condicionar su comportamiento frente a los diferentes tratamientos a los que se verá sometido en su proceso de producción o en los posteriores trabajos de reparación.

Recuerda Las propiedades del aluminio condicionarán el comportamiento de todo aquel elemento de la carrocería fabricado en aluminio, tanto en lo referente a la seguridad y gestión de la energía en un siniestro como en los posteriores procesos de confor- mación.

Aluminio

Acero

Densidad

2,69 kg/dm 3

7,87 kg/dm 3

Temperatura de fusión

660,2 °C

1.538 °C

Resistencia a la tracción

12 kg/mm 2

35-41 kg/mm 2

Límite elástico

10 kg/mm 2

23 kg/mm 2

Alargamiento

11%

25-37%

Dureza

≈ 15 HB

50-67 HB

Resistencia eléctrica específica

0,02655 Ω x mm 2 /m

0,13 Ω x mm 2 /m

Conductividad calorífica

235 W/m x K

58 W/m x K

Coeficiente de dilatación lineal

23,6 x 10 -6 K -1

12,0 x 10 -6 K -1

Los valores indicados se refieren al aluminio puro, aunque, como tal, no presenta grandes aplicaciones in- dustriales debido a sus relativamente escasas propiedades mecánicas. Por esta razón en la fabricación de ca- rrocerías se emplean aleaciones de aluminio, que se caracterizan por sus propiedades mecánicas mejoradas.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

1.2.2. Endurecimiento del aluminio Como se apuntaba anteriormente, las características mecánicas del aluminio pueden y deben ser mejo- radas para ser utilizado en la fabricación de múltiples objetos. Por ejemplo, requiere ser endurecido mediante diferentes tratamientos para la fabricación de las carrocerías de automóviles y las distintas piezas exteriores que las componen.

Recuerda Al igual que en la mayoría de los materiales metálicos, existen dos formas de endurecer las aleaciones de aluminio: por deformación o trabajo en frío y por la adi- ción de elementos aleantes.

Ambos métodos se basan en entorpecer el movimiento de las dislocaciones en la red de aluminio. Endurecimiento por deformación (acritud) El límite elástico de los metales se incrementa con el grado de deformación plástica. En este sentido, para el endurecimiento en frío de un metal es condición indispensable que se induzca una deformación plástica en el metal, a una temperatura inferior a la de recristalización. De esta manera, durante la deformación en frío se produce un apilamiento de dislocaciones, que actuará como una barrera frente al movimiento de nuevas dislocaciones. Endurecimiento por adición de elementos aleantes Este endurecimiento se basa en la creación de líneas de dislocación por la introducción de átomos extra- ños (elementos aleantes). La distribución de estos átomos afectará de diferente forma a la red de aluminio y, por lo tanto, al endurecimiento. Pueden presentarse dos casos: endurecimiento por solución sólida y endure- cimiento por precipitación.

La introducción de elementos aleantes varía las propiedades del metal

Endurecimiento por solución sólida El reemplazamiento de átomos de aluminio por átomos extraños produce una distorsión de la red atómi- ca, que inhibirá la movilidad de las dislocaciones. Los átomos de soluto se encuentran más estables alrededor de la dislocación, por lo que se concentrarán en los alrededores de una dislocación más que en cualquier otra zona de la red. Por esta razón, para desplazar una dislocación a otra zona, se necesitará mayor energía, lo cuál implica que la resistencia del material se ha incrementado.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Endurecimiento por precipitación

Se da en las aleaciones tratables térmicamente. Este fenómeno se conoce como «endurecimiento por envejecimiento» o «envejecimiento» a secas.

Para que tenga lugar, han de darse dos condiciones:

• La aleación ha de contener elementos que, a una determinada temperatura, entren en un estado de solución sólida en aluminio y, a otra, precipiten como otra fase. Es decir, la solubilidad sólida ha de ser mayor a altas temperaturas que a bajas. • La fase que precipita ha de dar lugar a un precipitado duro y coherente, es decir, que se conecte con la red de aluminio. El término «solución por tratamiento térmico» significa el tratamiento térmico de un metal con el propó- sito de precipitar partículas del soluto en la matriz. Se da mediante el calentamiento de un material a una tem- peratura por debajo de la de solución de las partículas en cuestión, manteniéndola por un periodo de tiempo.

El envejecimiento puede ser natural o se puede provocar, artificialmente:

• Natural. Se da cuando la aleación se mantiene a la temperatura ambiente después de la solución y enfriamiento. El porcentaje de cambio varía con el tipo de aleación e, incluso, dentro de su mismo grupo. Este envejeci- miento, hasta alcanzar la condición estable, puede requerir desde varios días a varios años. • Artificial. Manteniendo la solución a una temperatura superior a la temperatura ambiente se acelera la precipitación y se incrementa la resistencia final, en comparación con el envejecimiento natural. Se lleva a cabo a temperaturas alrededor de 200 °C. Diferentes combinaciones de temperaturas y tiempos darán lugar a distintas propiedades. 1.2.3. Principales aleaciones de aluminio Aunque la mayoría de los metales y algunos no metales son capaces de formar soluciones sólidas con el aluminio, la mayor parte de las aleaciones con interés técnico se basan, únicamente, en algunos sistemas como Al-Mn,Al-Mg, Al-Cu, Al-Si y Al-Mg-Si.

Atendiendo al modo de transformación de las aleaciones, se distinguen dos grandes grupos: • Aleaciones para forja: Son aleaciones co- ladas en fundición en forma de tochos o placas. A continuación se transforma en semiproductos mediante técnicas de conformación por deforma- ción plástica, tales como laminación, extrusión, forja y embutición. • Aleaciones para moldeo: Se utilizan en fun- dición para la obtención de piezas por colada (co- lada en arena o colada en coquilla). Este tipo de aleaciones están desarrolladas específicamente para el tipo de operación de moldeo a seguir.

Aleaciones de aluminio

Recuerda Dentro de las aleaciones para forja, que son las más utilizadas a nivel industrial y también para la fabricación de elementos de carrocería, se hallan dos grandes grupos: aleaciones no tratables térmicamente y aleaciones tratables térmicamente.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

Aleaciones de aluminio no tratables térmicamente Son aquéllas no tratables térmicamente, como consecuencia de su reducido intervalo de solidificación. Sus características mecánicas se consiguen por trabajo en frío o por el control del contenido de los ele- mentos aleantes: magnesio (Mg) y manganeso (Mn).

También se conocen como no aleaciones no bonificables.

Comprenden tres series:

Serie 1000 ......................................... Aluminio puro (Al)

Serie 3000 ......................................... Aleaciones de aluminio-manganeso (Al-Mn)

Serie 5000 ......................................... Aleaciones de aluminio-magnesio (Al-Mg)

A continuación, se indican las principales características de estas tres aleaciones, teniendo en cuenta que el aluminio puro no se emplea para la fabricación de automóviles.

Aluminio puro (Al). Serie 1000

Comprende las aleaciones de aluminio puro, con diferentes grados de pureza, pero siempre con un conte- nido mínimo de aluminio del 99,00%, correspondiendo el resto a impurezas, fundamentalmente hierro, silicio, cobre y zinc. Comercialmente, el aluminio puro es blando, dúctil y de escaso valor estructural, siendo sus propiedades mecánicas inversamente proporcionales a su grado de pureza, mejorando las mismas con la adicción de ele- mentos de aleación.

Presenta buena resistencia a la corrosión, gran poder reflectante y excelente capacidad de conformación.

Aleaciones de la serie 3000 (Al-Mn)

La adición de Mn supone un aumento de la resistencia por reforzamiento de la solución sólida. Sin embar- go, su resistencia mecánica resulta modesta, incluso después del endurecimiento por deformación.

Su resistencia a la corrosión es excelente, destacando por su buena aptitud al conformado.

La adición de Mn aumenta las propiedades mecánicas sin afectar a la estabilidad química. Su cantidad, en la práctica, está por debajo del 1,5%; de lo contrario, se crean cristales de Al6Mn, que ocasionarán problemas en su trabajo posterior.

Aleaciones de la serie 5000 (Al-Mg)

Destacan por su buena resistencia a la corrosión, superior incluso a la del aluminio en ambientes mari- nos. Tiene buena resistencia mecánica, conformabilidad y aptitud para el anodizado. Sus cantidades varían en función de la cantidadde Mg: • Contenidos bajos de Mg: Buena conformabilidad. En aleaciones para forja, el contenido se ubica entre 0,5%-5%. • Contenidos altos de Mg: Buena colabilidad. En aleaciones para moldeo, la cantidad de Mg están entre 5%-12%.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

El contenido de Mg suele variar entre el 0,5% (5005) y el 5% (5056) en aquellas aleaciones empleadas para paneles de carrocería. Las de mayores características mecánicas son las de contenido igual o superior a 2,5% de Mg. Se emplean en la fabricación de refuerzos de carrocería no visibles, a los cuales se les exige una buena capacidad de deformación, a causa de su complicada geometría (módulo resistente).

Aleaciones de aluminio tratables térmicamente

Se trata de aquellas aleaciones cuyos elementos aleantes tienen una solubilidad apreciable a elevadas temperaturas, decreciendo a temperaturas más bajas. También se conocen como bonificables.

Comprende, fundamentalmente, las tres series siguientes:

Serie 2000 ....................Aleaciones de aluminio-cobre (Al-Cu)

Serie 6000 ....................Aleaciones de aluminio-magnesio-silicio (Al-Mg-Si)

Serie 7000 ....................Aleaciones de aluminio-zinc-magnesio, con o sin cobre (Al-Zn-Mg / Al-Zn-Mg-Cu)

A continuación, se comentan las principales características de las series 6000 y 7000, las más usualmente en este campo.

Aleaciones de la serie 6000 (Al-Mg-Si)

Sin propiedades especialmente destacables, sí presentan un buen comportamiento general.

La zona de composiciones de interés técnico o industrial es:

Mg .......................... 0,3 ÷ 1,5%

Si ............................ 0,2 ÷ 1,6%

Mn .......................... 0 ÷ 1%

Cr ........................... 0 ÷ 0,35%

Sus principales características son:

• Incrementan su resistencia por la precipitación Mg2Si (silicato de magnesio). Presentan un rango de propiedades mecánicas desde suaves hasta similares a las del acero estructural. • El Mg en exceso mejora la resistencia a la corrosión y disminuye la conformabilidad y las propiedades mecánicas.

• El Si en exceso aumenta la resistencia, sin empeorar la conformabilidad y la soldabilidad.

• Este tipo de aleaciones presenta una capacidad de extrusión muy buena, por lo que el 80% de los pro- ductos extruidos a nivel mundial están hechos con la serie 6000. • Son soldables, presentan buena resistencia a la corrosión y son apropiadas para la mayor parte de los tratamientos superficiales (anodizado, cromatado, fosfatado, pintado, etc.). • Las aleaciones más frecuentes son la 6060 (si se busca acabado superficial) y la 6063 (si se busca alta resistencia). Para aplicaciones estructurales, la 6082. En elementos de la carrocería, se emplea en paneles exteriores, consiguiéndose, mediante tratamientos termomecánicos, una resistencia frente a deformaciones plásticas locales semejante a la de acero.

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE CARROCERÍAS

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