Materiales y procesos de fabricación de elementos de fijación para automóviles

El desarrollo de la tecnología del proceso de apriete de los elementos de fijación para automóviles y de los propios elementos roscados se basa en las necesidades de fiabilidad de la unión y de ligereza estructural, y es el resultado del avance en el diseño de las uniones roscadas, así como en las tecnologías de procesos y de materiales. La clave de las uniones atornilladas consiste en controlar la fuerza axial de apriete de los tornillos. Para lograr un control preciso de dicha fuerza axial, es necesario garantizarlo desde diversos aspectos, tales como el diseño y la selección de los elementos de fijación, el control del coeficiente de fricción y la utilización adecuada de los métodos de apriete.

El material de los sujetadores para automóviles

La mayoría de los aceros para pernos de alta resistencia son aceros de carbono medio y aceros aleados de carbono medio, todos los cuales se utilizan tras un tratamiento térmico de temple y revenido. Tras dicho tratamiento (temple y revenido), su microestructura consiste en martensita revenida más carburos. Cuando se lleva a cabo una ultrafinización de la austenita antes del temple, se demuestra que es posible mejorar sus propiedades mecánicas. En comparación con el tratamiento térmico tradicional de granulometría fina del acero, cuando la austenita se refina hasta un tamaño inferior a 10 μm, todas las propiedades mecánicas mejoran de manera significativa. En el caso del acero para pernos de alta resistencia, ni la mera mejora de la resistencia y la tenacidad ni únicamente la refinación del grano pueden satisfacer plenamente los requisitos de aplicación. Por ejemplo, cuando la resistencia a la tracción de la mayoría de los aceros estructurales aleados se eleva a 1200 MPa, se produce fractura retardada; por lo tanto, un aumento adicional de la resistencia entraña la pérdida de valor de uso y genera una mayor inseguridad. Desde un punto de vista práctico, la mejora de la resistencia a la fatiga y de la vida a fatiga constituye un aspecto particularmente importante y más exigente para incrementar la resistencia a la fractura retardada.

La mejora del comportamiento anti-fatiga de los elementos de fijación para automóviles está relacionada con la mejora de la limpieza del acero al carbono, en particular con el cambio en el tamaño y la distribución de las óxidos. Este es un desafío difícil para el proceso metalúrgico en horno eléctrico destinado a producir este tipo de acero, que requiere la cooperación de todas las partes involucradas. La mejora de la resistencia a la fractura retardada no solo depende del refinamiento del grano, sino también de la estructura del acero y del estado de los límites de grano. Las investigaciones científicas demuestran que, cuando los granos de austenita se refinan hasta 2 μm, la resistencia a la fractura retardada no supera a la obtenida con un tamaño de grano grueso. La fractura retardada es, en esencia, un fenómeno de fragilización por hidrógeno que suele desarrollarse en forma de fractura intergranular; por ello, es fácil que se retrase durante el servicio, dando lugar a una fractura por fragilidad por hidrógeno. La resistencia del acero de endurecimiento secundario desarrollado es 200–400 MPa superior a la del acero generalmente templado y revenido, lo cual puede explicarse por el trabajo en frío del acero. Cuando la probeta de acero se somete a una carga hasta su límite de fluencia y luego se retira rápidamente, en una segunda aplicación de carga la resistencia del acero aumenta de manera evidente; sin embargo, tanto la plasticidad como la tenacidad disminuyen.

Además, mediante observación microscópica se constata que la distribución de la red atómica del acero estirado en frío es más ordenada y regular que la del material original, lo que también evidencia la mejora de su comportamiento en términos de resistencia. Al aplicar tratamiento por calentamiento eléctrico y tratamiento térmico cíclico para el refinamiento del grano de la austenita, se toma como referencia el efecto de refinamiento del grano propio del acero extranjero. A partir de la segregación en los límites de grano de la austenita, se refuerzan dichos límites mediante difracción de electrones de baja energía y cálculos de la temperatura en los límites de grano.