O futuro do AHSS martensítico na indústria automotiva

O que os designers de automóveis precisam saber sobre os próximos desenvolvimentos na fabricação, conformação e uso de aços martensíticos?

Nossa entrevista com Kenneth Olsson, um veterano de 40 anos da indústria siderúrgica, abrange:

  • Veículos elétricos a bateria como condutores para graus martensíticos mais espessos (até 4 mm).
  • Novas tecnologias de estampagem a frio (ao invés de rolados) que tornam acessíveis os designs de componentes para geometrias 3D feitas em aço martensítico de 1500 MPa.
  • Como as montadoras estão ficando cada vez mais confortáveis em termos de aço martensítico de conformação a frio, substituindo algumas aplicações de PHS e aços DP de alta resistência.
  • Existe demanda atual suficiente para desenvolver uma um aço martensítico de 1900 MPa?

Kenneth Olsson trabalha na SSAB há 35 anos, incluindo 10 anos no desenvolvimento de produtos martensíticos e outros graus de AHSS. Kenneth é atualmente especialista em desenvolvimento de negócios automotivos da SSAB.

Como a SSAB se tornou a primeira na Europa a oferecer aços de alta resistência (AHSS) martensíticos para montadoras de automóveis?

Porque somos a primeira siderúrgica europeia a investir em uma linha de recozimento contínuo. Decidimos utilizar a tecnologia japonesa de recozimento, que estava na vanguarda naquele momento. Ao utilizar têmpera por imersão, nossa linha de recozimento contínuo possui uma taxa de resfriamento muito elevada e pode fabricar facilmente aços martensíticos. Durante muitos anos, fomos a única fábrica na Europa que poderia desenvolver e produzir esses graus. Somos realmente os pioneiros em aços martensíticos.

Quais foram as reações das montadoras ao novo aço martensítico?

O mercado era muito relutante, pois era algo muito novo. Para os aços martensíticos, havia um fabricante dos EUA e a SSAB. E mais nada. O primeiro uso do aço martensítico da SSAB foi para esteiras transportadoras altamente resistentes ao desgaste, utilizadas, por exemplo, por fabricantes de biscoitos. Em seguida, ele foi utilizado em calçados de segurança para proteção dos dedos.

Em calçados de segurança para proteção dos dedos e transportadoras para biscoitos?

No início, sim. Porém, cerca de 30 fabricantes internacionais de aço trabalharam em conjunto com um objetivo comum: tornar os carros mais leves e seguros. A Ultralight Steel Auto Body, Carroceria Automotiva Ultraleve em Aço ou ULSAB, realmente ajudou a promover o uso do AHSS em carros, incluindo o aço martensítico. Demonstramos como o aço martensítico poderia melhorar o desempenho em colisões de veículos, reduzir o peso e ser um material muito econômico.

Houve alguma relutância das montadoras em usar o aço martensítico devido às suas preocupações com a conformabilidade?

Sim. O primeiro grau do aço martensítico da SSAB tinha uma resistência à tração de 1400 megapascal (MPa) e um limite de escoamento de 1150 MPa. A tarefa da SSAB em relação aos aços avançados de alta resistência é realmente duplicada: primeiro, precisamos descobrir como fabricar esses aços resistentes e leves e, em segundo lugar, educar nossos consumidores — as montadoras de automóveis e os Tier 1 — sobre como simular designs de AHSS e, em seguida, conformá-los e uni-los.

Quais foram as preocupações das montadoras com a junção do aço martensítico?

Na verdade, o aço martensítico Docol® possui uma composição bastante simples, mas ainda tem algumas ligas e carbono. Portanto, é necessário definir adequadamente os seus parâmetros de soldagem. E é necessário entender como, por exemplo, obter soldas a ponto dúcteis ao usar o aço martensítico. O aço martensítico Docol compete, até certo ponto, com aços endurecidos por prensagem (PHS), também conhecidos como aços estampados a quente, que também possuem classificações de ultra-alta resistência (UHSS). Porém, os aços PHS possuem uma quantidade maior de ligas e carbono, por isso é mais complicado soldar o PHS do que o aço martensítico Docol.

A SSAB tomou uma decisão consciente de se concentrar em aços martensíticos conformados a frio, certo?

Sim. Mas a SSAB, é claro, também oferece aços endurecidos por prensagem. Algumas montadoras de automóveis estão mais familiarizadas com a estampagem a quente, por isso temos o maior prazer em acolhê-los. Porém, os aços endurecidos por prensagem precisam ser aquecidos a 900°C na linha de prensagem ou em um forno antes da linha de prensagem. Em seguida, ele é estampado a quente e, depois, precisa temperar a peça na ferramenta. Por isso, o PHS é definitivamente um processo mais complicado, mais lento, mais caro e mais demorado do que os componentes feitos com aço martensítico conformado a frio para alcançar um desempenho similar de alta resistência.

Então, por que algumas montadoras preferem a estampagem a quente em relação à conformação a frio?

Quando o PHS está a 900°C, ele é muito macio e, portanto, muito fácil de conformar. O PHS alcança sua microestrutura martensítica durante o endurecimento por prensagem. A SSAB, por outro lado, acredita que existem vantagens em fazermos o tratamento térmico em nossas fábricas precisamente controladas. Em seguida, enviamos as bobinas de aço martensítico tratadas termicamente ao cliente e eles podem apenas estampá-las a frio à temperatura ambiente. São menos etapas de processamento para o cliente. Porém, como acontece com qualquer aço de alta resistência, o aço martensítico conformado a frio significa que é necessário entender e planejar a recuperação elástica — com a qual podemos ajudar o cliente.

Kenneth Olsson
Kenneth Olsson Especialista em desenvolvimento de negócios automotivos da SSAB.

Por isso, para retornar por um momento à história, a SSAB introduziu seu primeiro grau de aço martensítico de 1400 MPa em 1993. Como a SSAB decidiu ampliar a linha de aços martensíticos para outros graus de resistência?

A SSAB seguiu o 1400M com o nosso 1200M. Nos EUA, a General Motors foi um pouco mais adiantada do que outras montadoras em relação a aços martensíticos para componentes laminados, tais como reforços de lâminas de pára-choques, barras de impacto lateral e alguns componentes das estruturas de assentos. Porém a GM, e depois a Ford e a Chrysler, queriam resistências à tração de 900 MPa, 1100 MPa, 1300 MPa, 1500 MPa e, por fim, 1700 MPa. Por isso, a SSAB ajustou o nosso negócio para atender às necessidades em materiais dos nossos clientes. Nosso grau mais recente, o aço martensítico de 1700 MPa, é, por exemplo, utilizado pela Shape Corporation para fabricar o tubo longitudinal de teto (roof rail) do Ford Explorer 2020.

A SSAB possui planos para aumentar ainda mais a resistência do aço martensítico?

Poderíamos desenvolver um grau de aço martensítico de 1900 MPa conformável a frio, mas é necessário haver interesse suficiente dos clientes. Alguns clientes já estão falando conosco a respeito do grau 1900M. Porém também compreendemos como os nossos clientes enxergam a evolução dos aços automotivos AHSS. Nossos atuais graus de aços martensíticos foram desenvolvidos há vários anos — pode levar algum tempo para que as normas das montadoras e as normas regionais, como a German Verband der Automobilindustrie ou VDA e a American Society of Automotive Engineers ou SAE, sejam estabelecidas para cada grau. Porém, quando as normas são finalmente estabelecidas para uma grau, os clientes têm mais confiança em sua usabilidade.

Qual seria o principal fator para as montadoras de automóveis ou Tier 1 quererem um aço martensítico de 1900 MPa?

A razão, claro, seria o peso ainda menor. Mas não espero que um grau 1900M se torne realidade nos próximos anos, pois o 1700M está agora se estabelecendo — tanto nos grupos dos clientes quanto das normas. Atualmente, grande parte do foco está no 1500M, que tradicionalmente tem sido rolado para perfis lineares ou curvos. 

Existem outras maneiras de conformar componentes automotivos a partir de aço martensítico de 1500 MPa?

Sim. Os japoneses — que tendem a estar mais focados na estampagem a frio do que em roll-forming — estão apresentando uma nova tecnologia de estampagem a frio para aços de maior resistência. Este é um grande avanço. Ao invés de haver apenas os perfis lineares ou curvos fabricados através de roll-forming, um perfil estampado a frio pode se parecer com qualquer coisa tridimensional. Eu diria que todos as montadoras japonesas agora estão procurando apresentar componentes estampados a frio de 1500 MPa nos carros que estão em desenvolvimento no momento.

Que tipo de componentes feitos com aços martensíticos seria possível estampar a frio que não podem ser conformados?

Os reforços das colunas B, por exemplo, possui um formato que é difícil de conformar. E o reforço da coluna da dobradiça possuem, geralmente, uma geometria em 3D que pode ser estampada a frio, mas não conformada através de roll-forming.

A SSAB precisa fazer algo com o Docol 1500M para torná-lo mais compatível com a estampagem a frio?

Sim, provavelmente será uma versão ligeiramente modificada. Em roll-forming, é uma vantagem ter um limite de escoamento maior em comparação à resistência à tração. Na estampagem a frio, é um pouco melhor ter um limite de escoamento menor para controlar a recuperação elástica na parte curva do componente conformado.

Por isso, obviamente, a SSAB realmente precisa entender completamente como o cliente pretende conformar os nossos aços.

Certo. É por isso que sempre incentivamos os clientes a nos envolverem no início de seu processo de design, para que possamos abordar melhor as suas preocupações e atender às suas necessidades. Por exemplo, algumas montadoras têm sido um pouco conservadoras no uso de aços martensíticos — principalmente o aço martensítico eletrogalvanizado — devido às suas preocupações com a fratura retardada, que também é conhecido como fragilização por hidrogênio. A SSAB realmente tem uma vantagem única com o nosso aço martensítico eletrogalvanizado. Começamos com uma composição de aço mais leve e, em seguida, controlamos com muita precisão o processo de galvanização para evitar a possibilidade de uma fratura retardada. Nossa tecnologia é muito segura e estabelecida.

Como o aço martensítico compete contra o alumínio no design de carros?

O alumínio tem sido bastante popular para as montadoras de carros de luxo. Porém, mesmo assim, normalmente você vê uma combinação de alumínio e aço avançado de alta resistência, como a martensítica. O que quero dizer é que a carroceria otimizada do carro é provavelmente uma combinação de alumínio para os painéis expostos — que não absorvem a energia de colisões — e, então, um aço AHSS com a maior resistência possível para os componentes que absorvem colisões e energia.

E os carros que não são de luxo — os veículos fabricados em larga escala?

Com os aços AHSS, é possível obter aproximadamente o mesmo peso que o alumínio, porém com menos da metade do custo. Em modelos de carros nos quais os custos são o fator determinante, as montadoras estão usando cada vez mais aços AHSS em cada modelo.

Em que o aço martensítico Docol da SSAB é diferente do que o de qualquer outra empresa?

Nossa longa experiência no desenvolvimento e produção de aços martensíticos nos permitiu aperfeiçoar a nossa tecnologia de processamento, incluindo a mais alta taxa de resfriamento possível que nos permite utilizar a composição de liga mais enxuta. A composição química dos aços martensíticos Docol é muito mais enxuta do que a maioria dos nossos concorrentes, tornando a soldagem mais fácil e mais resistente a fraturas retardadas. Conforme já disse, os nossos graus galvanizados do aço martensítico Docol são bem-conceituados para tratar dos problemas de fratura retardada. Mas a SSAB também conta com muitos especialistas altamente qualificados no desenvolvimento de produtos e o nosso KSC (Knowledge Service Center) para ajudar os clientes a entender como utilizar os aços martensíticos. Por exemplo, como fazer simulações de conformação para componentes automotivos. Ou como unir aços martensíticos.

Como as montadoras de automóveis estão evoluindo seus processos de fabricação para trabalhar com aços martensíticos?

Temos algumas montadoras que estavam utilizando aços bifásicos de até 1000 MPa que vão diretamente para a estampagem a quente, para apresentar resistências mais altas — mas agora estão experimentando a estampagem a frio em aços martensíticos.

O que mais está em desenvolvimento para os aços martensíticos Docol?

Já falamos sobre níveis mais altos de resistência — mas outra maneira de obter melhorias é tornar os graus de aços martensíticos mais espessos. Nosso aço martensítico laminado a frio e recozido continuamente possui uma espessura máxima de 2,1 mm. Com a nossa linha de resfriamento recém-instalada em nossa laminadora a quente, também podemos produzir aços martensíticos laminados a quente, que são temperados diretamente no processo de laminação a quente, alcançando espessuras de até 4 mm. O aço martensítico Docol de 4 mm de 1200 MPa agora está disponível para os clientes. E estamos desenvolvendo um 1500M laminado a quente mais espesso em seguida.

Bagageiro de teto (roof box) da Shape para a Ford
Tubo longitudinal de teto (roof rail) da Shape para a Ford.
Lâminas de pára-choques MonoLeg da Shape
Viga de lâminas de pára-choques MonoLeg da Shape.

Como os designers de automóveis poderiam utilizar o novo e mais espesso aço martensítico Docol?

Em veículos elétricos a bateria, os VEBs, a bateria e seu compartimento de proteção podem pesar até 800 kg. Por isso, estes veículos precisam de vigas de proteção mais resistentes. É possível tornar os veículos elétricos mais resistentes ao aumentar a resistência ou espessura do aço utilizado ou as duas coisas.

Alguma outra aplicação para aços martensíticos mais espessos?

Há também algumas regulamentações de proteção contra colisões novas e mais rigorosas, por isso pode ser vantajoso utilizar o novo e mais espesso aço martensítico para chapas finas de lâminas de pára-choques, por exemplo. Porém, o peso elevado dos veículos elétricos é o principal fator para graus martensíticos mais espessos — todas as suas peças automotivas aplicáveis à proteção contra colisões precisam ser mais resistentes. Desta forma, alguns designs de componentes exigirão graus de resistência (à tração) mais elevados de aços martensíticos em nossas espessuras existentes, que chegam a 2,1 mm. Outros designs se beneficiarão com o uso dos novos graus de aços martensíticos mais espessos (com até 4 mm de espessura) atualmente disponíveis com resistência à tração de 1200 MPa, bem como o mais espesso de 1500M que está em desenvolvimento atualmente.

Protótipo de um compartimento de bateria de VE (veículo elétrico).
Protótipo de um compartimento de bateria de VE (Veículo Elétrico).

Conteúdo relacionado

180