Dove è diretto l'acciaio AHSS martensitico per l'industria automobilistica

Cosa devono sapere i progettisti automobilistici sugli sviluppi futuri nella produzione, nella formatura e nell'uso di acciai martensitici?

La nostra intervista a Kenneth Olsson, veterano che opera da 40 anni nell'industria siderurgica, copre i seguenti argomenti:

  • Veicoli elettrici a batteria come driver per qualità martensitiche più spesse (fino a 4 mm).
  • Nuove tecnologie di stampaggio a freddo (al posto della profilatura) che consentono la progettazione di componenti a geometrie 3D realizzate in martensitico da 1500 MPa.
  • In che modo le case automobilistiche stanno prendendo sempre più dimestichezza con la formatura a freddo martensitica, sostituendo alcune applicazioni dell'acciaio PHS e dell'acciaio DP altoresistenziale.
  • La domanda attuale è sufficiente per sviluppare un martensitico da 1900 MPa?

Kenneth Olsson lavora presso SSAB da 35 anni, compresi 10 anni nello sviluppo di qualità martensitiche e altre qualità AHSS. Kenneth ricopre attualmente la funzione di Automotive Business Development Specialist presso SSAB.

In che modo SSAB è stata la prima azienda in Europa a offrire l'acciaio altoresistenziale martensitico di nuova generazione (AHSS) alle aziende automobilistiche?

Perché siamo stati il primo produttore europeo di acciaio a investire in una linea di ricottura continua. Abbiamo deciso di utilizzare la tecnologia di ricottura giapponese, che all'epoca era in prima linea. Utilizzando la tempra ad acqua, la nostra linea di ricottura continua ha una velocità di raffreddamento molto elevata e può facilmente produrre acciai martensitici. Per molti anni, siamo stati l'unica acciaieria in Europa a sviluppare e produrre queste qualità. Siamo dei pionieri degli acciai martensitici.

Come hanno reagito le case automobilistiche al nuovo acciaio martensitico?

Il mercato è stato molto riluttante, poiché questo acciaio era del tutto nuovo. Per l'acciaio martensitico c'erano soltanto un produttore statunitense e SSAB. E basta. Il primo utilizzo dell'acciaio martensitico SSAB è stato per nastri trasportatori altamente resistenti all'usura utilizzati, ad esempio, da produttori di biscotti. Poi è stato impiegato nelle calzature di sicurezza per la protezione delle dita dei piedi.

Coppe per scarpe e nastri trasportatori per biscotti?

All'inizio sì. Poi, col tempo, circa 30 produttori internazionali di acciaio hanno iniziato a collaborare per realizzare un obiettivo comune: rendere le automobili più leggere e più sicure. Il progetto Ultralight Steel Auto Body, ULSAB, ha davvero contribuito a incentivare l'uso dell'acciaio AHSS nelle automobili, incluso l'acciaio martensitico. Abbiamo mostrato in che modo l'acciaio martensitico può migliorare le prestazioni in caso di incidenti, ridurre il peso e abbassare i prezzi.

Alcune case automobilistiche si sono rivelate riluttanti a utilizzare l'acciaio martensitico a causa delle preoccupazioni in merito alla formabilità?

Sì. La prima qualità martensitica di SSAB aveva un carico di rottura di 1400 megapascal (MPa) e uno snervamento di 1150 MPa. Il compito di SSAB per gli acciai altoresistenziali di nuova generazione è duplice: innanzitutto, dobbiamo capire come realizzare questi acciai robusti e leggeri e, in secondo luogo, dobbiamo informare i nostri consumatori - OEM del settore automobilistico e fornitori di primo livello - su come simulare le progettazioni con AHSS, per poi formarli e unirli.

Quali sono state le preoccupazioni delle case automobilistiche in merito all'unione dell'acciaio martensitico?

In realtà, l'acciaio martensitico Docol® ha una composizione molto leggera, ma contiene ancora alcune leghe e carbonio. È quindi necessario impostare i parametri di saldatura di conseguenza. Inoltre, occorre comprendere in che modo, ad esempio, ottenere saldature a punti duttili nell'uso dell'acciaio martensitico. L'acciaio martensitico Docol compete, fino ad un certo punto, contro gli acciai temprati a pressione (PHS), noti anche come acciai stampati a caldo, che hanno anche una resistenza ultra-elevata (UHSS). Gli acciai PHS hanno però una quantità maggiore di leghe e carbonio, quindi è più complicato saldare l'acciaio PHS rispetto all'acciaio martensitico Docol.

SSAB ha preso la decisione consapevole di concentrarsi sull'acciaio martensitico formato a freddo, giusto?

Sì. Tuttavia, SSAB, ovviamente, offre anche acciai temprati a pressione. Alcuni OEM di automobili hanno maggiore familiarità con lo stampaggio a caldo, quindi siamo lieti di accoglierli. Tuttavia, gli acciai temprati a pressione devono essere riscaldati a 900 °C nella linea di pressatura o in un forno prima della linea di pressatura. Quindi si stampa a caldo il pezzo e poi occorre temprarlo nell'utensile. Pertanto, il PHS è indubbiamente un processo più complesso, più lento, più costoso e più dispendioso in termini energetici rispetto alla formatura a freddo di componenti martensitici per ottenere prestazioni simili in termini di resistenza elevata.

Allora perché alcuni OEM preferiscono lo stampaggio a caldo rispetto alla formatura a freddo?

Quando il PHS è a una temperatura di 900 °C, è molto morbido e quindi la formatura è particolarmente facile. Il PHS raggiunge la sua microstruttura martensitica durante lo stampaggio a caldo. SSAB, d'altro canto, ritiene che ci siano dei vantaggi nell'eseguire i trattamenti termici nei nostri stabilimenti precisamente controllati. Poi inviamo al cliente i coil martensitici trattati termicamente, che possono essere semplicemente stampati a freddo a temperatura ambiente. Il cliente ha meno fasi di elaborazione. Tuttavia, come con qualsiasi acciaio altoresistenziale, la formatura a freddo dell'acciaio martensitico significa che è necessario comprendere e pianificare il ritorno elastico, e noi possiamo aiutare il cliente a farlo.

Kenneth Olsson
Kenneth Olsson Automotive Business Development Specialist presso SSAB.

Quindi, ritornando un attimo alla storia, SSAB ha introdotto la sua prima qualità di acciaio martensitico da 1400 MPa nel 1993. In che modo SSAB ha deciso di estendere la gamma dell'acciaio martensitico ad altre qualità di resistenza?

SSAB ha fatto seguire alla 1400M la nostra 1200M. Negli Stati Uniti, General Motors ha preceduto un po' gli altri OEM per quanto riguarda l'implementazione dell'acciaio martensitico per componenti profilati, come rinforzi per paraurti, barre antiurto laterali e alcuni componenti strutturali dei sedili. Tuttavia, GM, e poi Ford e Chrysler, volevano carichi di rottura di 900 MPa, 1100 MPa, 1300 MPa, 1500 MPa e infine di 1700 MPa. Pertanto, SSAB ha adattato l'attività alle esigenze dei materiali dei nostri clienti. La nostra qualità più recente, il martensitico da 1700 MPa, è impiegato, ad esempio, da Shape Corporation per realizzare il supporto per tetti Ford Explorer 2020.

SSAB ha intenzione di aumentare ulteriormente la resistenza dell'acciaio martensitico?

Potremmo sviluppare una qualità di acciaio martensitico formabile a freddo da 1900 MPa, ma deve esserci un interesse adeguato dei clienti. Alcuni clienti ci stanno già parlando di 1900M. Tuttavia, comprendiamo anche come i nostri clienti vedono l'evoluzione degli acciai AHSS per l'industria automobilistica. Le nostre attuali qualità martensitiche sono state sviluppate diversi anni fa. Può volerci del tempo prima che gli standard OEM e quelli regionali, come la Verband der Automobilindustrie tedesca o la VDA e l'American Society of Automotive Engineers o la SAE, siano stabiliti per ogni qualità. Quando però gli standard vengono finalmente definiti per una qualità, i clienti guadagnano ulteriore fiducia nella loro fruibilità.

Quale sarebbe il principale fattore trainante per gli OEM di automobili o i fornitori di primo livello che desiderano un acciaio martensitico da 1900 MPa?

Il fattore principale è un peso ancora inferiore, ovviamente. Tuttavia, non mi aspetto che si verifichi un 1900M nei prossimi due anni, perché il 1700M si sta appena affermando ora, sia nei gruppi dei clienti che in quelli degli standard. Attualmente, ci concentriamo molto sul 1500M, che tradizionalmente è stato formato a rullo per profili rettilinei o curvi. 

Esistono altri modi per formare componenti automobilistici in acciaio martensitico da 1500 MPa?

Sì. I giapponesi, che si concentrano maggiormente sullo stampaggio a freddo piuttosto che sulla profilatura, stanno introducendo una nuova tecnologia di stampaggio a freddo per acciai a resistenza maggiore. Questo è un grande passo avanti. Invece dei soli profili rettilinei o curvi realizzati con la profilatura, un profilo stampato a freddo può assomigliare a qualsiasi cosa tridimensionale. Direi che tutti gli OEM di automobili giapponesi stanno ora cercando di introdurre nei veicoli attualmente in fase di sviluppo componenti stampati a freddo da 1500 MPa.

Che tipo di componenti martensitici si possono stampare a freddo che non si possono profilare?

Il rinforzo del b-pillar, ad esempio, ha una forma difficile da profilare. Inoltre, il rinforzo del montante della cerniera ha tipicamente una geometria 3D che può essere stampata a freddo ma non profilata.

SSAB deve apportare modifiche al Docol 1500M per renderlo più compatibile con lo stampaggio a freddo?

Sì, probabilmente sarà necessaria una versione leggermente modificata. Nella profilatura, avere uno snervamento maggiore rispetto al carico di rottura è un vantaggio. Nello stampaggio a freddo, è un po' meglio avere uno snervamento inferiore per controllare il ritorno elastico nella parte curva del componente sagomato.

Quindi, ovviamente, SSAB deve davvero comprendere appieno come il cliente intende formare i nostri acciai.

Esattamente. Ecco perché incoraggiamo sempre i clienti a coinvolgerci fin dalle prime fasi del loro processo di progettazione, in modo da poter affrontare meglio le loro preoccupazioni e soddisfare le loro esigenze. Ad esempio, alcune case automobilistiche sono state un po' conservative nell'uso di acciai martensitici, in particolare l'acciaio martensitico elettrozincato, a causa delle preoccupazioni per la frattura ritardata, nota anche come infragilimento da idrogeno. SSAB ha veramente un vantaggio unico con il nostro acciaio martensitico elettrozincato. Iniziamo con una composizione dell'acciaio più snella e poi controlliamo con estrema precisione il processo di zincatura per prevenire la possibilità di fratture ritardate. La nostra tecnologia è molto sicura e consolidata.

In che modo l'acciaio martensitico compete con l'alluminio nella progettazione delle automobili?

L'alluminio è stato molto popolare per gli OEM che producono automobili di lusso. Tuttavia, anche in questo caso, generalmente si nota una combinazione di alluminio e acciaio altoresistenziale di nuova generazione, come l'acciaio martensitico. Ciò significa che la carrozzeria ottimizzata è probabilmente una combinazione di alluminio per i pannelli esposti, che non assorbono l'energia d'urto, e poi come acciaio AHSS di massima resistenza per i componenti antiurto e ad assorbimento di energia.

E per quanto riguarda le auto non di lusso, invece, ossia i veicoli di massa?

Con gli acciai AHSS, è possibile ottenere all'incirca lo stesso peso dell'alluminio, ma con un costo più che dimezzato. Sui modelli di auto in cui i costi sono il fattore principale, gli OEM utilizzano sempre più acciaio AHSS su ogni modello.

In che modo l'acciaio martensitico Docol di SSAB si differenzia da quello di altri produttori?

La nostra lunga esperienza nello sviluppo e nella produzione di acciai martensitici ci ha consentito di perfezionare la nostra tecnologia di processo, inclusa la massima velocità di raffreddamento possibile, la quale ci consente di utilizzare la composizione di lega più snella in assoluto. La composizione chimica degli acciai martensitici Docol è molto più snella rispetto alla maggior parte dei nostri concorrenti, rendendo la saldatura più facile e più resistente alla frattura ritardata. Come ho già detto, le nostre qualità di acciaio martensitico Docol zincato sono molto apprezzate per far fronte ai problemi della frattura ritardata. Anche SSAB però ha numerosi specialisti molto qualificati nello sviluppo dei prodotti e il nostro KSC (Knowledge Service Center) per aiutare i clienti a comprendere come utilizzare gli acciai martensitici. Ad esempio, come eseguire simulazioni di formatura di componenti di automobili. O come unire l'acciaio martensitico.

In che modo gli OEM del settore automobilistico stanno evolvendo i propri processi produttivi per lavorare con acciai martensitici?

Abbiamo alcuni OEM che stavano usando acciai a doppia fase fino a 1000 MPa che passano direttamente allo stampaggio a caldo per resistenze più elevate, ma che ora stanno provando lo stampaggio a freddo su acciai martensitici.

Cos'altro è in fase di sviluppo per gli acciai martensitici Docol?

Abbiamo già parlato di livelli di resistenza più elevati, ma un altro modo per ottenere miglioramenti è quello di rendere le qualità martensitiche più spesse. Il nostro attuale acciaio martensitico laminato a freddo e ricotto in continuo presenta uno spessore massimo di 2,1 mm. Con la nostra nuova linea di raffreddamento installata nel nostro laminatoio a caldo possiamo anche produrre acciai martensitici laminati a caldo che vengono temprati direttamente nel processo di laminazione a caldo, ottenendo spessori fino a 4 mm. L'acciaio martensitico Docol 1200 MPa da 4 mm è ora disponibile per i clienti. Inoltre, stiamo sviluppando un laminato a caldo 1500M più spesso.

Forma del box sul tetto per Ford
Forma del supporto del tetto per Ford.
Braccio paraurti Shape MonoLeg
Braccio paraurti Shape MonoLeg.

In che modo i progettisti di automobili potrebbero usare il nuovo acciaio martensitico Docol più spesso?

Nei veicoli elettrici a batteria, i BEV, la batteria e il suo involucro protettivo possono pesare fino a 800 chilogrammi. Pertanto, i veicoli elettrici hanno bisogno di fasci di protezione più forti. È possibile rendere i veicoli elettrici più resistenti aumentando la resistenza dell'acciaio utilizzato, incrementando lo spessore dell'acciaio o entrambi.

Vi sono altre applicazioni per l'acciaio martensitico più spesso?

Ci sono anche alcune nuove normative sugli urti più rigorose, quindi potrebbe essere vantaggioso utilizzare il nuovo acciaio martensitico più spesso per i paraurti, ad esempio. Il peso elevato dei veicoli elettrici, tuttavia, è il principale fattore a favore di qualità martensitiche più spesse: tutti i componenti dell'auto rilevanti per gli incidenti devono essere resi più forti. Pertanto, alcuni design di componenti richiedono qualità di resistenza (tensile) dell'acciaio martensitico più elevate nei nostri spessori esistenti, che arrivano fino a 2,1 mm. Altri design trarranno vantaggio dall'uso delle nuove qualità più spesse (fino a 4 mm di spessore) degli acciai martensitici, attualmente disponibili con un carico di rottura di 1200 MPa, così come il più spesso 1500M che è attualmente in fase di sviluppo.

Prototipo di alloggiamento per batterie per veicoli elettrici.
Prototipo di alloggiamento per batterie per veicoli elettrici.

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