Apuntes aceros de herramientasYenni Nayid Santamaría BarajasEstudiante ingeniería metalúrgica

Objetivo de los aceros para herramientas

Trabajar otros aceros y/o fierros- aleaciones para adaptarlos a los distintos usos• cortar• deformar

Propiedades de aceros para herramientas

• Contienen cantidades relativamente grandes de Tungsteno, vanadio, molibdeno, manganeso y cromo, los cuales proporcionan un servicio de los aceros a altas temperaturas y bajo grandes esfuerzos. son costosas

• La mayoría son producidos por conformado, lo cual les confiere uniformidad del tamaño de los carburos y un control estricto de composición.

• Generalmente son colados en hornos eléctricos de tonelajes pequeños, lo cual permite alcanzar las tolerancias en composición, limpieza y condiciones precisas de colada

• El refinamiento en cuchara y el segundo colado, para la fusión de la escoria, se realiza en un arco de fusión al vacío, donde se alcanzan las condiciones particulares exigidas por la industria.

• Las aleaciones de medio y alto carbono, requieren de un control cuidadoso durante los procesos de forja y laminación.

• Finalmente, las barras obtenidas se someten a una rigurosa inspección a través de ultrasonido o pruebas magnéticas [limpieza, macroestructura, dureza, tamaño de grano, habilidad de endurecimiento]

Procesado primario de aceros de herramientas

• Comienza con la fusión y solidificación donde el alto contenido de aleantes de los aceros para herramientas resulta en una significativa segregación y formación de carburos aleados primarios durante la solidificación.

Después de la solidificación del lingote, los aceros para herramientas se mantienen a altas temperaturas y luego son trabajados en caliente o frio por forja, extrusión o laminado en el rango de temperaturas de estabilidad de la austenita o austenita + carburos. El trabajado en caliente es mejor ya que no sólo reduce el tamaño de la sección sino que también la segregación producida durante la solidificación. Los carburos aleados alineados pueden ser sitios preferenciales para la formación de huecos y fisuras. Por lo tanto, los aceros para herramientas muy aleados requieren un trabajado en caliente cuidadoso para prevenir la fisuración.

Recocido• Es necesario para llevar a las microestructuras del trabajado en caliente a una condición apropiada

para el maquinado y el posterior endurecimiento• El objetivo de los tratamientos de recocido de los aceros para herramientas es producir una

microestructura consistente de carburos esferoidizados uniformemente distribuidos en una matriz de ferrita; Tal microestructura tiene baja dureza que resulta útil para el maquinado y reduce el desgaste en las herramientas de corte.

• El recocido también afina la estructura de granos gruesos que pudieron haberse formado durante el trabajado a alta temperatura, elimina las estructuras duras de martensita o perlita que se pudieron haber formado durante el enfriamiento después del trabajado en caliente y homogeniza los efectos de deformaciones no uniformes que pueden desarrollarse durante el trabajado en caliente de secciones gruesas o complejas

• Se efectúa por calentamiento justo a la temperatura donde toda la ferrita transforma a austenita. Las partículas de carburos quedan retenidas y esferoidizadas y la austenita transforma a ferrita y carburos esferoidizados adicionales durante el enfriamiento.

• Si el recocido se lleva a cabo a muy altas temperaturas, los carburos aleados se disuelven y la austenita enriquecida puede formar carburos en borde de grano austeníticos o transformar a perlita o martensita durante el enfriamiento, produciendo microestructuras demasiado duras para maquinar. De manera similar, la alta templabilidad de los aceros para herramientas hace esencial que el enfriamiento desde las temperaturas de recocido sea lento para asegurar que la austenita transforme a microestructuras dúctiles de ferrita y carburos esferoidizados en vez de perlita o martensita

Temple y revenido altamente aleada+CPᵠ

menos aleada ᵠ+CP+CS ( ret )+ [M]ᵠ+CP+CS 1

2

3 4

1

2

3

4( ret +ᵠ Mnew)+[MR+Cdispersos] +MxCy +CS5

5(Mnew +MR+ Cdispersos)+[MR+Cdispersos] +MxCy +CS

Precalentamiento y austenización• Los aceros para herramientas muy aleados, debido a sus altas durezas y complejas

microestructuras aún en el estado de recocido y relevado de tensiones, son susceptibles a distorsiones y fisuración durante el calentamiento si se desarrollan gradientes de temperatura a través de la sección

• La austenización es un paso muy crítico en el endurecimiento de un acero para herramienta. En este paso ocurre la partición final de los elementos aleantes entre la matriz austenítica y los carburos retenidos

• Los carburos aleados retenidos no sólo contribuyen a la resistencia al desgaste sino que también controlan el tamaño de grano austenítico si la austenización se lleva a cabo a una temperatura muy alta, puede ocurrir un crecimiento de grano no deseado a medida que los carburos se engrosan o se disuelven en la austenita

• Los elementos aleantes no retenidos en los carburos aleados, están en solución en la austenita los carburos aleados proveen un importante mecanismo por medio del cual se fija la composición de la austenita. La composición de ésta luego determina la templabilidad, la temperatura Ms , el contenido de austenita retenida y el potencial de endurecimiento secundario de un acero para herramienta

Templabilidad y formación de martensita

• las altas temperaturas de austenización disminuyen el contenido de carburos aleados, incrementan el contenido de aleantes en la matriz austenítica e incrementan la templabilidad

• la martensita se forma cuando las condiciones de enfriamiento y la templabilidad son suficientes para prevenir las transformaciones controladas por difusión que producirían carburos pro-eutectoides, perlita y bainita

• La composición de la matriz austenítica determina la morfología de la microestructura martensítica

Carburos en borde de grano• Los aceros para herramientas son susceptibles de formar carburos en borde

de grano durante los temples en aceite o los enfriamientos al aire relativamente lentos para el endurecimiento.

• La segregación de P en borde de grano austenítico durante la austenización para temple, contribuye a los problemas de fractura en estos aceros de alto carbono. La combinación del fósforo segregado y el alto contenido de carbono, conducen a la formación de cementita alotromórfica en borde de grano aun durante el temple en aceite, y el fósforo y los carburos disminuyen la resistencia a la fractura en los bordes de grano de la austenita primaria

• La susceptibilidad a la fractura por borde de grano se minimiza manteniendo las temperaturas de austenización recomendadas, que en la mayoría de los aceros para herramientas de alto contenido de carbono se diseñan para producir finos granos austeníticos

Revenido • Es el tratamiento final aplicado a los aceros para herramientas • Se realiza para mejorar la tenacidad de un acero después del temple o enfriamiento• En los aceros para herramientas es muy importante la posible ocurrencia de

endurecimiento secundario o precipitación de carburos aleados durante las altas temperaturas de revenido. Además, se aplica un doble o triple revenido para asegurar que la tenacidad mejore después de los cambios microestructurales inducidos por el primer revenido.

• La formación de carburos aleados durante el revenido requiere de la difusión de los elementos formadores de carburos. Éstos, en su mayoría difunden sustitucionalmente a través de la red cúbica centrada en el cuerpo de la martensita revenida, un proceso caracterizado por bajos coeficientes de difusión. Como consecuencia, las distancias de difusión efectiva se hacen muy cortas, conduciendo a precipitados de carburos aleados muy finos y cercanos entre sí. La misma difusión lenta también retarda los procesos de engrosamiento de los carburos durante el servicio a alta temperatura. Esto hace a los aceros para herramientas resistentes al ablandamiento durante la forja en caliente y durante el maquinado a altas velocidades de corte.

Transformación de la austenita retenida y doble revenido en los aceros para herramientas • La austenita retenida transforma a ferrita y cementita durante el revenido.

En aceros de baja aleación la transformación es entre 200 y 300ºC. Sin embargo, la austenita en los aceros para herramientas muy aleados es mucho más estable y no transforma completamente hasta que se alcanzan temperaturas que exceden los 500ºC

• El doble revenido tenderá a esferoidizar y disminuir el efecto perjudicial de los carburos interlaminares formados por la transformación de la austenita retenida. También se cree que el revenido doble es capaz de revenir cualquier martensita que se haya formado por la transformación de la austenita retenida durante el enfriamiento luego del primer tratamiento de revenido.

Tipos de aceros de herramientasLas normas SAE clasifican los aceros para herramientas y matrices en los siguientes grupos: 1. W: de temple en agua 2. S: resistentes al impacto 3. O, A, D: para trabajo en frío 4. H: para trabajo en caliente 5. T, M: rápidos 6. L: para propósitos especiales

ASTM A600 M, TASTM A681 H, D, A, S, LASTM A686 W

Normatividad aceros para herramientas

1. Aceros de temple en agua [W]• Contienen cromo el cual le proporciona resistencia al desgaste

y dureza y Vanadio para mantener el tamaño de grano y mejorar la tenacidad

• Son adecuados para el revestimiento en frío, pulso, acuñación, y las herramientas de estampado; herramientas para trabajar la madera; y herramientas de corte de metal duro tales como grifos

2.Aceros resistentes al impacto [S]

3. Aceros para trabajo en frio• Aplicables para usos donde no se requieran ciclos de calentamiento sobre

los 260°C • Baja deformación en el temple • Alta dureza de temple• Alta templabilidad desde bajas temperaturas de austenización, • Libres de fisuras en zonas intrincadas después del temple• Mantienen el filo de corte por tiempo prolongado. • No poseen propiedades de dureza al rojo como los aceros rápidos, ni

pueden usarse para trabajos en caliente

Aceros para trabajo en frio

3,1 [A]- temple en aire

• Exhiben mínima distorsión, lo cual se representa en menor tendencia formar grietas

• Son especialmente adecuados para condiciones de abrasión media, con necesidades de alta tenacidad

• Agrega Si para mejorar dureza• Usos: cuchillos, punzones, matrices de corte y recorte• Resistente al desgaste (Cr)

Recocido

• Las temperaturas de austenización recomendadas para el recocido se encuentran entre 840 y 870° C, seguido de un enfriamiento lento (15 a 20° C por hora) hasta los 530° C, pudiéndose aumentar la velocidad de enfriamiento posteriormente.

• También pueden ser recocidos isotérmicamente enfriando desde la temperatura de austenización hasta 760° C, manteniendo durante 4 a 6 horas y luego enfriando al aire; este proceso tiene ventajas sobre el anterior por la homogeneidad de estructura y maquinabilidad lograda el requerimiento de un horno continuo lo vuelve más caro.

Temple

• Para minimizar la distorsión en el temple, es adecuado realizar un distensionado a 650-700º C antes del maquinado final.

• Debe realizarse un precalentamiento a 780º C para eliminar el tiempo prolongado a la temperatura de austenización, con lo que se disminuye la descarburación, y luego llevar a la temperatura de temple de 930° a 980° C; después de un periodo de mantenimiento se templa en aire, y la dureza alcanzada puede hallarse entre HRc 63-65.

• Se puede observar que entre los 760-590º C, se produce una reacción dependiente del tiempo que forma un constituyente en los bordes de grano de austenita. Cuando esta reacción se completa, la estructura es esferoidal y tiene una dureza de 20 -25 HRc. La austenita es muy estable entre los 370 y 590° C. La reacción bainítica, entre 370 y 180° C, no se completa hasta las 20 hs. El punto Ms se encuentra a 165° C y la martensita se forma a medida que disminuye la temperatura. La curva se traslada hacia la izquierda y el punto Mf se eleva cuando se utilizan temperaturas de austenización más bajas

Influencia de la temperatura de austenización

Se puede notar que la máxima dureza se obtiene a 965° C; para temperaturas mayores la caída se debe a la austenita retenida. Para aceros A5 y A6, la temperatura es menor.

Revenido

Gráficos de dureza vs. temperatura de revenido para aceros A2 en condición templado, templado seguido de subcero a -80º C, y templado seguido de subcero a -180° C, para temperaturas de austenización crecientes: (a) 950° C. (b) 1000° C. (c) 1050° C. (d) 1100 °C.

Estos aceros muestran dos picos de tenacidad a temperaturas de revenido de 200° C y 400º CLas depresiones entre ambos son causadas por la transformación de la austenita

3,2 [D] -alto C alto Cr

• Resistencia al suavizado a altas T • Susceptible a la Fragilización carburos• Estos aceros fueron originariamente desarrollados para sustituir a los aceros rápidos

para herramientas de corte, pero mostraron insuficiente dureza en caliente y probaron ser muy frágiles

• Cuando solidifican, sus granos son fuertemente segregados, con menor contenido de Cr y C en el centro que en las porciones periféricas, y rodeando cada grano se encuentra un eutéctico de austenita y carburo.

• Aplicaciones: • Matrices de corte en caliente para forjado. • Matrices de acuñado • Matrices de embutido profundo • Calibres • Matrices para laminar roscas • Punzones • Rodillos de formado y doblado. • Brochas • Matrices de extrusión en frío • Mandriles • Matrices de laminación • Cuchillas de corte • Muchas matrices exigidas para trabajo en frío, etc

Recocido • Para disminuir la dureza y mejorar la maquinabilidad se recomiendan

calentar a 870-900º C y enfriar a una velocidad que no exceda de 25° C/hora hasta los 510° C. Si se desea una menor dureza, puede enfriarse lentamente desde 870-900° C hasta los 540° C, luego recalentar a 740° C y enfriar lentamente hasta temperatura ambiente.

• Para asegurar el mínimo de distorsión en el temple, se aconseja un distensionado a 640-700° C después del maquinado grueso y antes del maquinado final.

Temple

El tipo D3 es esencialmente un acero de temple en aceite, ya que en secciones medias la austenita se transforma parcialmente en perlita fina. En los tipos D2, D4, D5 y D1 la adición de 0,80% de Mo suprime la formación de perlita a elevada temperatura y permite alcanzar la dureza total, HRc 62-64, con el enfriamiento al aire desde 1010° C.

3,3 [O]- temple en aceite

• A) procedimiento termo mecánico• B) temple + revenido

Variables del recocido

• Puede ser un recocido total o isotérmico. Los valores de dureza que se obtienen dependen del recocido utilizado y su elección depende de la importancia de las operaciones posteriores

• En el recocido total la dureza lograda se encuentra entre 180-212 HB, lo que facilita el maquinado debido a la estructura más globular, pero dificulta la homogeneización para el temple

Variables del temple y revenido

• Es importante no calentar estos materiales por encima de la temperatura indicada para evitar el aumento del tamaño de grano y fisuras de temple

• Para el calentamiento se prefiere el uso de baños de sales neutras u hornos de atmósfera controlada, y, si no se dispone de estos equipos, se puede utilizar un horno semimufla protegiendo las piezas con carbón neutro o coque, como una alternativa aceptable. Es fundamental realizar un precalentamiento a 650-670º C para evitar fisuras

• Después de la austenización, las herramientas deberán templarse en aceite tibio a 80° C y revenirse en forma inmediata.

Dureza VS temperatura de revenido

Revenidos 1 hora.

4. Aceros para trabajo en caliente [H]• Para cuando requiere trabajar a elevadas temperaturas punzonazo, corte• Combinan resistencia a la abrasión, el desgaste y bajo presiones• Existen tres tipos: en base a tunsgsteno, molibdeno o Cromo Base

tungsteno

• H10-H19• Dureza: 40-50HRC• Resistentes a la

erosión a alta T.• Resistente a la

oxidación sobre 800°C

Base cromoBase molibdeno

• H21-H26• Dureza: 45-55HRC• Resistentes a alta

T.• Propenso a ser

frágil

• H42-H43• Dureza: 40-50HRC• Requieren control

estricto en T de austenización para evitar decarburación

Aceros para trabajo en caliente

BASE MOLIBDENO.

• El 95% de estos es en base molibdeno 40% más barato

• Algunos grados permiten trabajo en frio

• Tienen mayor tenacidad

• La resistencia al desgaste aumenta al añadir mayor contenido de carbono y vanadio

• Son fácilmente descarburizables sobre la temperatura de austenización, la cual es más baja que para los T

• Las durezas alcanzadas se encuentran entre 65 y 70HRC. La temperatura de temple está entre 1175 y 1230°C

BASE TUNGSTENO

• Los aceros en base tungsteno son templables en aceite o en baño de sales; la mayor resistencia al desgaste la tiene el T15 (1,55%C)

• La temperatura de temple está entre 1205 y 1300°C

5. Aceros rápidos HSS Para corte, fresado y tornado

Producción: Temple + revenidoTungsteno y Molibdeno potencian el endurecimiento secundario precipitación de carburos secundarios

Aceros rápidos HSS [M, T]

Efecto de la temperatura de austenización

M1 M4

La temperatura de austenización es un factor muy importante, debido a que a partir de la misma se define la cantidad de aleantes que habrá disueltos lo cual se relaciona directamente con las propiedades deseadas finamente. Nótese la dificultad mayor de disolución de V, Mo y W incluso a temperaturas muy elevadas.

6. Aceros resistentes al impacto [S]

• Los principales aleantes son: Mn, Si, Cr, W y Mo, su contenido de carbono oscila en 0,5%C.

• Combinan propiedades de alta resistencia y dureza y media resistencia al desgaste.

• Usos: cinceles, conjuntos de remaches, punzones, elementos de apriete, y otras aplicaciones que requieren alta resistencia y resistencia a lacargas de choque

• Requiere llevarse a altas temperaturas de austenización, ya que el control de la disolución de carburos es un factor importante a la hora de verificar la dureza deseada.

• Pueden ser templados en aceite o aire.

7. Aceros especiales [L]• Contienen pequeñas cantidades de Cr, V, Ni y Mo• Se utilizan generalmente para piezas de máquinas,

tales como pérgolas, levas, mandriles, y para otrasaplicaciones especiales que requieren una buena resistencia ytenacidad

8. Aceros de molde [P]

• Tienen muy baja dureza y baja resistencia al endurecimiento por trabajo en el estado de recocido.

• Baja resistencia a dejarse deformar en caliente, así que su uso se limita a aplicaciones de inyección de matriz a baja temperatura.

• Requieren de horno eléctrico de fusión, desgasificación al vacío, y tratamientos especiales de desoxidación práctica estándar en la producción de aceros para herramientas de grupo p. Además, la colada de lingotes y las prácticas de forja se han refinado de manera que se puede lograr un alto grado de homogeneidad.

Aceros de molde [P]

Propiedades de los aceros de herramientas

Las propiedades se exigen durante el servicio:• Tenacidad• Dureza• Resistencia al desgaste• Deformación• Rotura• Resistencia al suavizado a altas temperaturas

TenacidadSe presentan datos comparativos, debido a que es muy complejo medir propiedades durante el servicio. Es posible hacer mediciones de dureza y con ella hacer la comparación de propiedades, por ejemplo se sabe que altos valores de dureza proporcionan alta resistencia y baja tenacidad.En general la mayor tenacidad la alcanzan los aceros de trabajo en caliente y la menor los de trabajo en frio.La mayor dureza, por su parte se logra utilizando aceros rápidos.

Tenacidad y resistencia al desgaste

• Se observa un intervalo de actuación

• La mayor resistencia al desgate la tienen los aceros rápidos y los matriciales

Dureza • Como regla general la dureza aumenta con el contenido de carbono • La disminución de la tasa de enfriamiento requerida para alcanzar una

máxima dureza, se logra aumentando el tamaño de grano austenítico y el contenido de aleantes.

• El ensayo de Jominy está limitado para estos aceros, solo ofrece información válida para aquellos templables en aceite.

• Para el análisis de dureza de aceros de herramientas tipo W se usan ensayos SPF (Shepherd penetration fracture)

• Al aumentar la severidad de temple aumentan las distorsiones y la tendencia al agrietamiento

• Es importante realizar los tratamientos térmicos bajo atmósferas controladas, debido a que la descarburación incrementa con la temperatura

La retención de dureza a altas Temperaturas es una de las propiedades de estos aceros habilidad de endurecimiento secundario por precipitación de fases especiales, debidas a la presencia de carburos

Efecto de la temperatura sobre la dureza

Durante el trabajo en caliente, la resistencia al suavizado disminuye en el tiempo. Una pieza suavizada, presenta en mayor tiempo una menor variación [H21 yH19] retienen la dureza mucho mejor.

Trabajada en caliente Suavizada en caliente

• La alta dureza de estos aceros, aun a altas temperaturas se atribuyen a la dureza de la matriz [principalmente martensita], y las cantidades y tipos de carburos disueltos.

Carburo Red cristalina Características M3C Ortorrómbico Pueden ser de: Fe, Mn, Cr, W, Mo, VM7C3 Hexagonal Presentes en aceros con CrM23C6 FCC Para aceros de alto Cr, V, Co y HSSM6C FCC Presente en aceros HSS, ricos en W o Mo los

hacen resistentes a la abrasiónM2C Hexagonal Aceros ricos en W aparecen producto del

revenidoMC FCC Aceros ricos en V, precipitan como

endurecimiento secundario. Resisten la disolución

Acero presentan mezclas de carburos HSS contienen 30% en volumen: MC, M23C6 y M6C

Dureza relativa de los carburos

Resistencia a la abrasión

Budinski investigó la correlación entre la resistencia a la abrasión y el parámetro A.Siendo A=(tamaño de los carburos primarios* fracción de volumen de los carburos* dureza de los carburos).En adición al desgaste por abrasión, también ocurre desgaste por adhesión en piezas de trabajoLa mejor resistencia a la abrasión se tiene en acero de trabajo en caliente

Resistencia a la deformación

• Para propósitos prácticos, el modulo de elasticidad debe ser mayor a 210GPa a Tamb; 185GPa a T=260°C; 150GPa a T=540°C

Maquinabilidad Los factores que influyen en la maquinabilidad de los aceros de herramientas son:• dureza en el estado de recocido, • microestructura del acero • Cantidad de carburos presentes.

El acero de herramienta que presenta mayor índice de Maquinabilidad (el tipo W) tiene un índice aproximadamente igual al 30%, por lo tanto como referencia para comparar la maquinabilidad de los distintos aceros de herramienta se toma W, a los que se le asigna el índice 100 (a). (b) representa para rangos de dureza entre 150 y 200HB

La maquinabilidad disminuye al aumentar el contenido de carbón y aleantes.

Objetivo: mejorar las propiedades mecánicas superficiales de los aceros de herramientas resistencia al desgaste, a la abrasión, a la corrosión

• Carbonitruración• Nitruración (por plasma)• Boreado• Plateado• Deposición química

Tratamientos térmicos superficiales

COMPETENCIA PULVIMETALURGIA• Mezcla de polvos [Co, WC,TiC, TaC]• Compactación de los mismos• Síntesis de productos [T>0,8 Tfusión] mayor uniformidad

Las piezas disponibles son lingotes y barras en condición compacta o de trabajado en caliente, partes semiterminadas y near-net shapes (piezas que no requieren mecanizado posterior). El proceso P/M se usa principalmente para la producción de aceros para herramientas de alta velocidad de corte superiores aunque también se está aplicando para la producción de estos aceros para trabajado en frío y en caliente mejorados.

Aceros PM comerciales

Distribución más homogénea de carburos

a) Pulvimetalurgia b) convencional

a)

b)

Se consultó: • https://

www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/17-_Aceros_de_herramientas_(frio)_v2.pdf

• file:///C:/Users/JENNI%20NAYITH/Dropbox/Downloads/CAP11%20Aceros%20para%20herramientas.pdf

• Apuntes de clase: Manuel Cabrera.

Para convencer a alguien, primero hay que convencerse uno mismo