Repositorio Institucional de Documentos

E SCUELA D E I NGIENERIA T ÉCNICA I NDUSTRIAL D E Z ARAGOZA CLASIFICACIÓN, TRATAMIENTOS Y PROPIEDADES DE LOS ACEROS DE HERRAMIENTAS Autor: José Javier Arnal Frisas Especialidad: Ingeniería técnica Mecánica Convocatoria: Diciembre 2010 Director: Mº Antonieta Madre Sediles 1 INDICE 0. INTRODUCCIÓN ...........................................................................................5 1. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ACEROS............................................6 1.1. Clasificación de aceros en función de su composición química..................6 1.2. Clasificación de aceros en función la norma UNE.......................................9 1.3. Clasificación de aceros en función la norma AISI .......................................12 1.4. Clasificación de aceros en función la norma DIN........................................15 1.5. Clasificación de aceros en función designación sistemática del grado de acero de acuerdo con UNS (Unified Numbering System)............................................16 1.6. Clasificación de aceros en función del Sistema de Numeración para material acorde con EN (Numero estándar: WNr). ..........................................................18 1.7. Clasificación de aceros en función del la norma ASTM...............................24 2. CLASIFICACIÓN DE HERRAMIENTAS SEGUN LA NORMA UNE ...............25 2.1. NORMA UNE-EN ISO 4957 ........................................................................25 2.2. Denominación de la antigua Norma UNE 36009:197241............................45 2.3. Tipos de aceros de herramientas................................................................47 2.3.1. Aceros no aleados para herramientas ...................................................48 2.3.2. Aceros aleados para trabajos en frío.....................................................50 2.3.3. Aceros aleados para trabajos en caliente..............................................52 2.3.4. Aceros rápidos.......................................................................................54 3. CLASIFICACIÓN DE ACERO DE HERRAMIENTAS SEGUN AISI................56 3.1. Clasificación de acero de herramientas según la Norma AISI....................56 3.1.1. Aceros de herramientas de temple al agua (grupo W)...........................57 3.1.2. Aceros de herramienta para trabajos de choque (grupo S) ...................60 3.1.3. Aceros para trabajos en caliente (grupo H)............................................62 3.1.4. Aceros para trabajos en frío (grupo O, A y D).......................................68 3.1.5. Aceros rápidos (grupo T y M).................................................................77 3.1.6. Aceros para usos especiales (grupo F y L) ...........................................85 3.1.7. Aceros para moldes (grupo P)...............................................................88 4. PROPIEDADES ACEROS DE HERRAMIENTAS ..........................................91 4.1. Elección de los aceros de herramientas......................................................91 4.2. Comparativa de las propiedades de algunos aceros de herramientas de la norma AISI.........................................................................................................92 4.3. Penetración del temple................................................................................91 4.4. Tenacidad....................................................................................................94 2 4.5. Dureza en caliente ......................................................................................94 4.6. Resistencia a la descarburación..................................................................94 4.7. Maquinabilidad............................................................................................95 4.8. Dureza respecto de la temperatura.............................................................96 4.9. Rotura de las herramientas.........................................................................97 4.10.Elementos de aleación...............................................................................98 5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS........................................................................100 5.1. Introducción.................................................................................................100 5 .2. Generalidades............................................................................................101 5.3. Definición.....................................................................................................101 5.4. Características ...........................................................................................101 5.5. Tipos de tratamientos .................................................................................101 5.6. Desarrollo de los tratamientos térmicos ......................................................102 5.6.1. Calentamiento hasta la temperatura máxima ........................................102 5.6.2. Permanencia a la temperatura máxima.................................................102 5.6.3. Enfriamiento desde la temperatura máxima hasta la temperatura ambiente ....... .................................................................................................................103 5.6.4. Desarrollo de los tratamientos en los aceros rápidos ...........................103 5.7. Hornos utilizados para los tratamientos térmicos .......................................103 5.8. Normalizado................................................................................................105 5.8.1. Definición y generalidades.....................................................................105 5.8.2. Características.......................................................................................105 5.8.3. Temperaturas de normalizado y características obtenidas en aceros al carbono de 25 mm de diámetro.......................................................................107 5.8.4. Enfriamiento del normalizado ................................................................107 5.9. Recocidos....................................................................................................108 5.9.1. Definición...............................................................................................108 5.9.2. Características.......................................................................................108 5.9.3. Tipos de recocido, definiciones, generalidades, características y curvas de enfriamiento.....................................................................................................108 5.9.4. Enfriamiento del recocido......................................................................110 5.9.5. Recocido en los aceros rápidos.............................................................111 5.10. Temple.......................................................................................................111 5.10.1. Definición.............................................................................................111 5.10.2. Generalidades .....................................................................................111 5.10.3. Primera fase del temple: calentamiento...............................................112 5.10.4. Segunda fase del temple: el enfriamiento............................................112 5.10.5. Velocidad crítica del temple.................................................................114 5.10.6. Representación del temple en los diagramas de las curvas................115 5.10.7. Factores que influyen en la práctica del temple...................................116 5.10.8. Influencia del tamaño de las piezas....................................................116 5.10.9. Influencia de la composición................................................................117 3 5.10.10. Influencia del tamaño del grano.........................................................119 5.10.11. Influencia del medio de enfriamiento .................................................119 5.10.12. Elección del medio de enfriamiento...................................................122 5.10.13. Temple en los aceros rápidos............................................................123 5.11. Revenido ...................................................................................................124 5.11.1. Revenido en los aceros rápidos...........................................................125 5.11.2 Curvas del revenido de los aceros de herramientas de la norma UNE ISO 4957.................................................................................................................125 5.11.2.2. Ejemplo de Curvas de dureza/temperatura de revenido para aceros para herramientas no aleados para trabajo en frío .......................................126 5.11.2.2. Curvas de dureza/temperatura de revenido para aceros para herramientas aleados para trabajo en frío ....................................................127 5.11.2.3. Curvas de dureza/temperatura de revenido para aceros para herramientas para trabajo en caliente...........................................................128 5.11.2.4. Curvas de dureza/temperatura de revenido para aceros rápidos para herramientas.................................................................................................129 5.12. Templabilidad ............................................................................................130 5.13. Tratamiento criogénico..............................................................................131 5.13. 1. Introducción...........................................................................................131 5.13. 1. Principios del tratamiento criogénico.....................................................131 6. ACEROS DE HERRAMIENTAS MÁS COMUNES .........................................133 6.1. Aceros aleados para trabajo en frío.............................................................133 6.1.1. X153CrMoV12.......................................................................................133 6.2. Aceros aleados para trabajo en caliente......................................................139 6.2.1. X38CrMoV5-..........................................................................................139 6.3. Aceros rápidos.............................................................................................145 6.3.1. HS6-5-2C...............................................................................................145 7. FABRICACIÓN DE ACEROS DE HERRAMIENTAS......................................151 7.1. Proceso convencional .................................................................................151 7.1.1 Fases del proceso convencional.............................................................152 7.1.2 Fusión.....................................................................................................152 7.1.3. Metalurgia secundaria ...........................................................................152 7.1.4. Fundición...............................................................................................154 7.1.4.1. La colada .........................................................................................154 7.1.5. Conformación ........................................................................................156 7.1.5.1. Laminación en caliente ....................................................................154 7.1.5.2. Forja.................................................................................................157 7.1.5.2. Moldeo.............................................................................................157 7.1.6. Tratamiento térmico...............................................................................158 7.2. Pulvimetalurgia............................................................................................158 7.2.1. Definición...............................................................................................159 7.2.2. Proceso ................................................................................................159 4 7.2.3. Polvos de metal ....................................................................................159 7.2.4. Fabricación de polvos metálicos............................................................160 7.2.5. Proceso de fabricación..........................................................................161 7.2.5.1. Comprensión ......................................................................................162 7.2.5.1. Sintetizado..........................................................................................163 7.2.5. Ventajas de la pulvimetalurgia sobre los procesos convencionales.......164 8. BIBLIOGRAFIA ..............................................................................................165 5 0. INTRODUCCIÓN Este proyecto consiste en la recopilación de información de los aceros de herramientas en las que encontramos 7 partes. En la primera parte encontramos una clasificación general que podemos encontrar de los aceros con sus respectivas normas, como forma introductorias de los aceros. Para pasar luego en la segunda parte y tercera parte, a una clasificación de los distintos grupos de aceros para herramientas según la norma UNE y la AISI. En la cuarta parte encontramos las propiedades principales de los aceros de herramientas. En la quinta parte encontramos los distintos tratamientos térmicos que podemos dar a un acero de herramientas. En la sexta parte encontramos distintos aceros de herramientas comerciales con sus características detalladas de esos respectivos ejemplos. Por ultimo, en la última parte encontramos los procesos más comunes para la producción de aceros de herramientas. 6 1. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ACEROS En la clasificación de los aceros encontramos varios tipos de clasificaciones, desde las distintas normas hasta su composición química. En nuestro caso daremos las normas que definen a los aceros en general para luego tratar a los aceros de herramientas. Las normas a dar son la norma UNE, la norma DIN, la norma AISI, la norma EN y la norma UNS. Mas adelante entraremos con más detalle en la norma UNE, la norma AISI y la norma ASTM. 1.1. Clasificación de aceros en función de su composición química Existen varios tipos de aceros, pero en general se pueden clasificar en: • Aceros al carbono Son aceros que sólo tienen carbono y no poseen otros elementos de aleación (en proporciones significativas). • Aceros de bajo carbono (%C < 0,25) • Aceros de medio carbono (0.25 < % < C 0,55) • Aceros de alto carbono (2 >% C > 0,55) • Aceros aleados Son aceros que poseen además del carbono, otros elementos de aleación. • Aceros de baja aleación (elementos aleantes < 5%). • Aceros de alta aleación (elementos aleantes > 5%). En la norma EN 10020 vemos la distinta clasificación en función de su composición, en los que los aceros de herramientas podrían clasificarse en aceros aleados y no aleados dependiendo siempre de su composición, que se explicarán más adelante. 7 NORMA UNE-EN 10020 CLASIFICACIÓN SEGUN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA 1. Contenidos de aleación que deben considerarse Para las normas europeas, la clasificación dada en la norma de producto o en la especificación, se aplica sea cual sea el tipo de acero realmente producido, en la medida que su composición química satisfaga los requisitos establecidos en la norma correspondiente. 1.1 La pertenencia a una clase se basa en la composición química de colada prescrita por la norma de producto o por la especificación, considerando el valor mínimo especificado para cada elemento. 1.2 Cuando, para un elemento distinto del manganeso, solo está especificado un valor máximo en la norma de producto o en la especificación, a efectos de clasificación, se debe considerar un valor del 70% de dicho valor máximo según las tablas 1. Para el manganeso, vease la nota de la tabla 1. 1.3 Si la norma d e producto o la especificación se refiere exclusivamente al análisis sobre producto, se establecerá un análisis de colada, teniendo en cuenta las desviaciones admisibles definidas en la norma de producto, o en la especificación o en la Euronorma o en l a norma europea correspondiente. 1.4 Si no existen normas, especificaciones o prescripciones precisas sobre el análisis, la clasificación se basara' en el análisis real de colada indicado por el fabricante. 1.5 Los resultados obtenidos en el análisis sobre producto pueden desviarse de los del análisis de colada en los valores admitidos por la norma de producto correspondiente o por la especificación (sin que esto influya en la clasificación del acero como no aleado o aleado). Si el análisis sobre productos pone de manifiesto un valor del que se deriva una clasificación del acero en una clase distinta a la prevista, la pertenencia a la clase inicial deseada deberá' establecerse de forma independiente y probarse documentalmente. 1.6 Para los productos recubiertos o para los productos compuestos, la clasificación se establecerá' en función de la composición química del metal base. 1.7 Los contenidos de los elementos deben expresarse con el mismo número de decimales que figuran en la tabla 1 (así por ejemplo: un intervalo especificado como 0,3% a 0,5% corresponde a contenidos entre 0,30% y 8 0,50%. Por otra parte, un contenido especificado del 2% corresponde a un contenido de 2,00%). 2 Definición de las clases 2.1 Aceros no aleados. Se considera como acero n o aleado aquel en el que el contenido, de cualquiera de sus elementos, entendido como se establece en el apartado 1, es inferior al valor límite dado en la tabla 1. 2.2 Aceros inoxidables. Los aceros inoxidables son los aceros que contienen un mínimo de 10,5% de cromo y un máximo de 1,2% de carbono. 2.3 Otros aceros aleados. Se considera como otro acero aleado aquel que n o cumpliendo con la definición de acero inoxidable, el contenido, de al menos uno de sus elementos, entendido como se establece en el apartado 1, es igual o superior al valor límite dado en la tabla 1. Tabla 1 Delimitación de las clases de acero no aleado y de acero aleado (análisis de colada) 15 1.4. Clasificación de aceros en función la norma DIN (Deutsche Industrie Normen - Alemania) Hay que destacar que actualmente las distintas normas europeas se parecen mucho, ya sea la norma DIN (Alemana), la nueva norma UNE (Española) , la norma UNI (Italiana),etc. Aceros aleados 16 1.5. Clasificación de aceros en función designación sistemática del grado de acero de acuerdo con UNS (Unified Numbering System) Exxxxx tierras raras y metales similares y aleaciones Fxxxxx hierro fundido Gxxxx aceros aleados y al carbono AISI y SAE Hxxxx aceros con templabilidad garantizada AISI Y SAE. Jxxxxx aceros fundidos (excepto aceros para herramientas). Kxxxxx diversos aceros y aleaciones base hierro. Lxxxxx metales y aleaciones de bajo punto de fusión. Mxxxxx varios metales y aleaciones no ferrosas. Nxxxxx níquel y aleaciones de níquel. Pxxxxx metales preciosos y aleaciones. Rxxxxx metales y aleaciones reactivas y refractarias. Sxxxxx aceros resistentes a la corrosión y temperatura (incluyendo inoxidables), aceros para válvulas y súper aleaciones base hierro. Txxxxx acero para herramientas, forjado y fundido Wxxxx metal de aportación de soldadura Zxxxxx Zinc y aleaciones de Zinc 17 18 1.6. Clasificación de aceros en función del Sistema de Numeración para material acorde con EN (Numero estándar: WNr) Esta es la norma que se está imponiendo en Europa dada la consolidación de la Comunidad Europea. El sistema EN 10020 se basa en los aceros clasificados de acuerdo a su composición química (aceros no aleados y aleados) (ver aparato1.1) y la principal categoría de calidad basada en sus principales propiedades y aplicaciones. La EN 10027-2 organiza y administra la numeración de aceros en aplicación de la Verein Deutscher Eisenhüttenleute "OFICINA EUROPEA DE REGISTROS DE ACEROS". NORMA UNE-EN 10027-2:92 1 OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN 1.1 Esta Parte 2 de la Norma Europea 10027 establece un sistema de numeración para designar los tipos y grados de acero. Establece la estructura de los “números de acero”, así como la organización para su registro, asignación y difusión. Este sistema se denomina “sistema numérico”. El “número de acero” es complementario de la designación simbólica que se describe en la Parte 1 de esta Norma EN 10027. La aplicación de esta Parte 2 de la Norma Europea 10027 es obligatoria para los tipos y grados de acero definidos en las Normas Europeas; es potestativa para los aceros definidos en las normas nacionales y para los aceros fabricados por las sociedades siderúrgicas (aceros de marca). NOTA- Aunque el sistema se limita a los aceros, está estructurado de forma que su aplicación puede extenderse a otros productos fabricados industrialmente. 1.2 Los números que se definen en este sistema tienen un número fijo de cifras (véase capítulo 5 de la norma). Por tanto, este sistema es más adecuado para el tratamiento de datos que las designaciones convencionales definidas en la Parte 1 de la Norma EN 10027. 1.3 La solicitud de atribución del “número de acero” (véase capítulo A.6 a A.9 de la norma) es responsabilidad, para los aceros definidos en las Normas Europeas, del Comité ECISS correspondiente y, para los aceros nacionales, del Organismo Nacional competente. 19 NOTA- Los organismos de ámbito europeo, con un interhs especifico en la normalización de aceros y de productos de acero (tales como: AECMA, EUROFER, etc.), deberán enviar la solicitud de asignación de número a travhs de la Secretarla Central del ECISS (véase capítulo A.9). 2 NORMAS PARA CONSULTA Esta Norma Europea incorpora las disposiciones de otros documentos mediante su referencia en distintos apartados de la misma; estas referencias pueden incluirse con o sin fecha y se recopilan en este capítulo. En el caso de aquellas normas que se citan con su fecha, para que las futuras revisiones o modificaciones de las mismas sean aplicables a ésta, es necesario que ésta sea revisada o modificada; por el contrario, en el caso de aquellas normas que se citan sin fecha, es aplicable la última versión en vigor. EN 10020 - Definición y clasificación de aceros. EN 10027-l -Sistemas de designación de aceros. Parte 1. Designación simbólica. EN 10079 - Definición de productos de acero. 3 DEFINICIONES Para la aplicación de esta norma se utilizarán las definiciones dadas en las Normas EN 10020 (ver apartado 1.1). 4 PRINCIPIOS 4.1 Un mismo número corresponde a un solo tipo y grado de acero. Recíprocamente, a cada tipo y grado de acero ~610 se asignará un número que, en principio (véase apartado 4.3), no debe reasignarse a otro, aún en el caso que éste haya sido suprimido (véanse capítulos A.1 y A.2). 4.2 Los “números de acero” son asignados por la Oficina Europea de Registro, de acuerdo con lo indicado en el anexo A. 4.3 La Oficina Europea de Registro (véase capítulo A.9) debe revisar periódicamente, con intervalos adecuados, la Lista de Aceros Registrados. Estas revisiones, realizadas en colaboración con los organismos responsables de las solicitudes de asignación de número, tendrán por objeto comprobar si algunos de los números corresponden a aceros que han dejado de producirse. Si éste es el caso, estos números se incluirán en un anexo de la Lista durante un período transitorio y, ulteriormente serán eliminados, Entonces se publicará una revisión de la Lista. Los números de los aceros eliminados como consecuencia de este proceso podrán reutilizarse para posibles nuevos tipos y grados de acero. 20 4.4 En general, no debe cambiarse el número asignado a un acero. Si por razones excepcionales es inevitable algún cambio, éste debe realizarse de acuerdo con lo indicado en los apartados 4.1 y 4.3. 5 ESTRUCTURA DE LOS NÚMEROS DE LOS ACEROS La estructura de los números de los aceros es la siguiente: NOTAS 1 Los números 2 a 9 pueden utilizarse para designar otros materiales. (Véase nota del apartado 1 .l). 2 En el momento actual, el número de orden consta de dos cifras. Ante la posibilidad de que en el futuro se precisara una ampliación del número de cifras para tener en cuenta un posible aumento del número de aceros, se ha previsto un número de hasta cuatro cifras. En este caso seria publicada una revisión de esta Parte 2 de la Norma EN 10027. 21 NOTA 1: La clasificación de los grupos de acero corresponde a la clasificación de la Norma EN 10020. NOTA 2: En las casillas de esta tabla se da la siguiente información: a) el número del grupo de acero (esquina superior izquierda); b) la característica principal del grupo de acero; c) R, es la resistencia a tracción. Los valores límite para la composición química y la resistencia a la tracción (R,) se dan a título informativo. 22 A (Normativo) EXPLICACIÓN Y PROCEDIMIENTO DEL SISTEMA DE ASIGNACIÓN DE NÚMERO A LOS ACEROS A.1 Los números de designación, según lo indicado en el capítulo 4, se asignan a los aceros en función de sus características especificadas siguientes: a) la composición química; b) características que puedan determinarse mediante métodos de ensayo normalizados, por ejemplo, la dureza, las características definidas por el ensayo de tracción, la energía de flexión por choque, la templabilidad, la resistencia a la corrosión, las características metalograficas, etc.; c) la aptitud para la transformación, por ejemplo, la conformabilidad en frío; d) la aptitud a empleos específicos, por ejemplo, alambres para neumáticos. Las diferencias en las condiciones de suministro que no afecten a las características de material, por ejemplo, tipo de marcado, acabado superficial, medidas, etc. no deben considerarse motivo suficiente para la asignación de un “número de acero” diferente. A.2 La prescripción de exigencias más restrictivas o de requisitos suplementarios para un material no debe considerarse como razón suficiente para la asignación de un nuevo “número de acero”. A.2.1 El que un fabricante restrinja internamente los requisitos especificados para un tipo de acero para reducir la posibilidad de desviaciones respecto a las especificaciones, no debe considerarse como razón suficiente para la asignación de un nuevo “número de acero”. A.2.2 Si las modificaciones prescritas o los requisitos suplementarios implican variaciones significativas en las características del material o si de ellas se derivan un cambio en la clasificación del grado del acero, según la Norma EN 10020, (por ejemplo, una reducción del contenido máximo en azufre de 0,035% a 0,010%), debe asignarse un nuevo número al acero considerado. NOTA- Por razones prácticas, un número existente puede completarse añadiéndole un sufijo o un texto apropiado para indicar ciertas características especificadas. En estos casos, la parte añadida no forma parte del “número de acero”. A.3 Sólo se asignará número a los aceros que sean comercializados. 23 A.4 Cuando se justifique la necesidad de un nuevo número, la disponibilidad de números se verificará con la última lista de números asignados (véase capítulo A.12). A.5 Según lo indicado en los apartados 4.1 y 4.3, para atribuir un nuevo número, es preciso que las características (véase A. 1) difieran significativamente de las de otro grado con número asignado. A.6 La solicitud de atribución de un “número de acero” debe realizarse mediante el formulario del anexo B. A.7 Deberá leerse atentamente las recomendaciones del anexo B y facilitar toda la información solicitada. NOTA- Se ha preparado el formulario para que sirva como una ficha de datos que facilite el tratamiento de cada solicitud hasta la edición final de los datos por un equipo de tratamiento informático y para minimizar los errores de trascripción. A.8 Para facilitar la asignación numérica, se pide al solicitante que sugiera el posible nuevo número, teniendo en cuenta los números existentes (véase capítulo A.4). A.9 Los formularios cumplimentados deben remitirse a: Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) Abteilung Europäische Stahlregistratur Sohnstrasse 65 D - 4000 Düsseldorf 1 ALEMANIA que desempeña las funciones de Oficina de Registro encargada de la designación y gestión de los números de acero. NOTA- Los organismos europeos (véase nota del apartado 1.3) que soliciten la asignación de un “número de acero”, pueden remitir una copia de la solicitud directamente a la Oficina Europea de Registro. A.10 La Oficina Europea de Registro se somete a la competencia del ECISS, al que rendirá cuentas anualmente. A.11 La Oficina Europea de Registro informará al solicitante de las acciones tomadas en un plazo no superior a 3 meses. En caso de litigio sobre la asignación de un “número de acero”, la cuestión será sometida al ECISS (COCOR) a través del Organismo Nacional responsable (véase apartado 1.3). A.12 La Oficina Europea de Registro deberá preparar y publicar, a intervalos adecuados, una lista de todos los tipos y grados registrados con su “número de acero”. 24 1.7. Clasificación de aceros en función del la norma ASTM Dado el uso generalizado de esta norma norteamericana, la comentamos brevemente a continuación. La norma ASTM no específica composición directamente, más bien determina la aplicación o ámbito de empleo. Por tanto, no existe una relación directa biunívoca con las normas de composición. Ejemplo: A36: Especificación de aceros estructurales al carbono. A285: Especificación de aceros al carbono de baja e intermedia resistencia para planchas de recipientes a presión. A325: Especificación para pernos estructurales de acero con tratamiento térmico y una resistencia a la tracción mínima de 120/105 ksi. A514: Especificación para planchas aleadas de acero templadas y revenidas con alta resistencia a la tracción, adecuadas para soldar. Grupos de aplicación La primera letra de la norma indica el grupo de aplicación: AXX: Especificaciones para aceros y hierros. BXX: Especificaciones para no ferrosos. CXX: Especificaciones para concreto, estructuras civiles. DXX: Especificaciones de químicos: Aceites, pinturas, etc. EXX: Especificaciones de métodos de ensayos. Otros 31 7 PEDIDO Y DESIGNACIÓN La designación del producto en un pedido debe contener la siguiente información: a) la cantidad a suministrar; b) la designación de la forma del producto (por ejemplo barra), seguidas de: 1) designación de la norma dimensional y las dimensiones y tolerancias seleccionadas de la misma (véase el apartado 4.4), ó 2) la designación de cualquier otro documento relativo a las dimensiones y a las tolerancias requeridas para el producto. c) si se requiere otra condición superficial que no sea “transformado en caliente”, o una calidad superficial particular, 1) la condición superficial (véase el apartado 4.1.2.2); 2) la calidad superficial (véase el apartado 4.3). d) una descripción del acero, que comprenda: 1) la referencia a esta norma internacional; 2) la designación del tipo de acero (véanse las tablas 2, 4, 6 y 8); 3) el símbolo para la condición de tratamiento térmico en el suministro (véase la tabla 1), y, si los productos se suministran en la condición de templado y revenido, los valores de dureza requeridos; 4) la designación normalizada para el tipo de documento de inspección requerido (véase la Norma Internacional ISO 10474); 5) el símbolo y, en caso necesario, los detalles relativos a los requisitos suplementarios (véase el anexo B), si es necesario la conformidad con cualquier requisito complementario. EJEMPLO Los requisitos siguientes deben figurar en el pedido: a) 2t de barras redondas laminadas en caliente; 1) conformes a la Norma Internacional ISO 1035-1; 2) con un diámetro nominal de 30,00 mm; 3) con una longitud nominal de 4 000 mm; 32 4) con una tolerancia sobre el diámetro de ± 0,30 mm (clase S según la Norma Internacional ISO 1035 4:1982) 5) con una tolerancia sobre la longitud de 0+100 (clase L2 según la Norma Internacional ISO 1035-4); 6) todas las demás tolerancias, como las indicadas en la Norma Internacional ISO 1035-4 para los casos normales. b) Superficie 1) trabajada en caliente. c) Acero 1) conforme a esta norma internacional, tipo X153CrMoV12 (véase la tabla 4); 2) condición de tratamiento térmico: recocido (de ablandamiento) (símbolo +A, véase la tabla 1); 3) con certificado de inspección 3.1.B (véase la Norma Internacional ISO 10474). d) Designación 2t Barras redondas ISO 1035-1-30,0 S × 4 000 L2 Acero ISO 4957 – X153CrMoV12 + A – 3.1.B 33 34 35 36 37 38 39 40 47 2.3. Tipos de aceros de herramientas Según la Norma UNE-ISO 4957 encontramos cuatro tipo de aceros de herramientas: -Aceros no aleados para herramientas -Aceros aleados para trabajo en frío -Aceros aleados para trabajos en caliente -Aceros rápidos 48 2.3.1. Aceros no aleados para herramientas Son aceros de herramientas con contenidos de carbono entre 0,60 y 1,50 por ciento, algunas veces pueden llevar algo de Cr o V para mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste. En general, son aceros menos costosos que los aleados y con un tratamiento térmico adecuado puede obtenerse una superficie dura martensitica con un núcleo tenaz. Deben templarse en agua, por lo que se someten a una deformación considerable. Presenta buena maquinabilidad pero tienen poca resistencia al calor; por lo que su uso está limitado a condiciones que incluyen bajas velocidades y cortes ligeros en materiales relativamente blandas, como madera latas, aluminio y aceros blandos. La antigua designación de UNE, corresponde al grupo F-51XX Ejemplos de aceros no aleados para herramientas de la antigua Norma UNE 49 APLICACIONES DE LOS ACEROS NO ALEADOS PARA HERRAMIENTAS -Elementos de maquinaria agrícola, alicates, tenazas, martillos, destornilladores, etc. -Herramientas, picos, palas, cinceles, cortafríos, martillos de forja, tijeras, hachas, etc. -Matrices para embutir troqueles, tipos de imprenta, punzones, escoplos, etc. -Fresas, raquetas, buriles, herrajes, escariadores, galgas, instrumentos de cirugia, peines de roscar,navajas de afeitar, etc. -Cuchillas de torno, hojas de afeitar, limas para hierros, aceros y metales, pinzas, brocas, hileras, sierras metalicas, herramientas de cincelador, grabador, relojero, etc. 50 2.3.2. Aceros aleados para trabajos en frío Un acero se considera que trabaja en frío cuando en su uso la temperatura sea inferior a 200ºC. Este es el grupo más importante de los aceros de herramientas, ya que para la mayoría de las aplicaciones para herramientas pueden efectuarlas algunos de los aceros de este grupo. Se puede templar en aceite, por lo que evita la deformación. Las propiedades finales varían con el grado de aleación. Una baja aleación proporciona buena maquinabilidad, tenacidad media alta y dureza en caliente escasa, propiedades a los aceros sin alear. Una aleación media, con un 1 por ciento proporciona mayor templabilidad, así como poder realizar el temple al aire, por lo que la no-deformación es total; tien buena resistencia al desgaste, a la dureza en caliente, tenacidad media y regular maquinabilidad. Los aceros de Cr, proporcionan muy buena resistencia al desgaste. La antigua designación de UNE, corresponde al grupo F-52XX Ejemplos de aceros aleados para herramientas de la antigua Norma UNE 51 APLICACIONES DE LOS ACEROS ALEADOS PARA HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN FRÍO -Fresas para filetear, matrices para cortar y dar forma, escariadores, utillajes para fabricar tubos, poleas, ejes, ruedas dentadas, etc., para instrumentos, laminas para cizallas, útiles para embutir, etc. -Útiles para matrizar y matrices para trabajar en frío, acuñar monedas y medallas, estampas para cajas de reloj, matrices para anillos, cubiertos, campanas, matrices en frío para el acabado de piezas de automóvil, grandes matrices para estirar, brocas, hileras, escariadores, etc. -Cuchillas y láminas para maquinas de trabajar madera, punzones en caliente, buriles neumáticos para aceros moldeados, fundiciones grises y aceros duros, utillajes para trabajos de corte de madera, etc. -Punzones para marcar, pequeñas cuchillas para trabajar en frío o en caliente, utiles para maquinas neumáticas para demoler, hormigón, pavimentos, carbón, etc. -Toda clase de matrices para estampado en serie y en caliente del acero, hierro y metales no férreos, por ejemplo: estampados de piezas de aviación, automóviles y maquinaria; en aplicaciones ligeras émbolos, discos de turbina, bielas, carteres, etcera. 52 2.3.3. Aceros aleados para trabajos en caliente En algunas aplicaciones como la forja en caliente y la extrusión o el moldeo de plásticos es necesario someter la herramienta a temperaturas elevadas para estos casos se utilizan este tipo de aceros. Un acero se considera que trabaja en frío cuando en su uso la temperatura sea superior a 200ºC. Se utilizan elementos de aleación como el Cr, Mo y W para dar dureza en caliente y presentan bajo contenido en carbono para proporcionar una buena tenacidad, aunque su resistencia al desgaste no es demasiado buena. Los elementos de aleación permiten el temple en aire o aceite. Además presentan resistencia al desgaste y maquinabilidad. La antigua designación de UNE, corresponde al grupo F-53XX Según el elemento de aleación se pueden dividir en: -Aceros en base cromo, con un minino de 3,25 por ciertoy menores cantidades de vanadio, wolframio y molibdeno. Tienen buena dureza en caliente debido a su contenido en cromo, ademas de los formadores de carburos, como el V, W y Mo. Presentan bajo contenido en carbono ypresentan una dureza entre 40 y 55 HRc -Aceros con base wolframio, contienen al menos un 9 por ciento de wolframio y entre 2 y 12 por ciento de cromo. El mayor contenido de aleación aumenta la temperatura de ablandamiento, pero les hace más susceptibles a la fragilidad en las durezas normales de trabajo. Se templan al aire o en baño de sales calientes para minimizar la formación de escamas. -Aceros con base molibdeno, con un 8 por ciento de Mo, 4 por ciento de Cr y menores cantidades de W y V. Son bastante simi9lares a los aceros de wolframio pero su coste inicial es más bajo . 53 APLICACIONES DE LOS ACEROS ALEADOS PARA HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN FRÍO -Troqueles de extrusión, troqueles para piezas fundidas, para forja. -Mandriles, Cizallas en caliente 54 2.4.4. Aceros rápidos Presentan la característica especial de conservar su dureza y características mecánicas en general hasta una temperatura de 600º C, mientras que los aceros al carbono y los aceros aleados para herramientas tienen el inconveniente de que se ablandan y desafilan para temperaturas superiores a los 250º C. Este hecho permite velocidades de corte muy superiores a las que se obtienen con otros tipos de aceros para herramientas. En la composición de los aceros rápidos contienen en proporción relativamente elevada tres elementos de aleación fundamentales: wolframio, cobalto y molibdeno, y dos elementos accesorios, cromo y vanadio. El wolframio mejora la resistencia de la martensita en caliente y aumenta la resistencia al desgaste. El molibdeno es de una acción similar al wolframio, pero más intensa, teniendo el mismo efecto una parte de molibdeno que dos de wolframio. Tiene el inconveniente de bajar el punto de fusión del acero y de aumentar su tendencia a la descarburación. El cobalto mejora la resistencia en caliente del acero y eleva su temperatura de fusión. Aumenta también la tendencia a la descarburación del acero. El cromo favorece la formación de carburos (lo que aumenta notablemente la dureza y la resistencia al desgaste), aumenta la templabilidad del acero y su resistencia a la oxidación a alta temperatura. El vanadio aumenta la resistencia de la martensita y aumenta la resistencia al desgaste. El carbono está en los aceros rápidos en proporciones del 0.65 al 1.20% con objeto de obtener en el temple gran dureza, y además, el carbono necesario para la formación de carburos, que, como ya se ha dicho, aumentan la resistencia al desgaste. La antigua designación de UNE, corresponde al grupo F-55XX y F-56XX Ejemplos de aceros rápidos de la antigua Norma UNE Designación común %C %Mn %Si %P %S F- 551 Aceros rápidos 14% W 0,65/0,75 0,20/0,40 0,20/0, 40 <0,03 <0,03 F- 552 Aceros rápidos 18% W 0,70/0,80 0,20/0,40 0,20/0, 40 <0,03 <0,03 F- 553 Aceros extrarrápidos 5% Co 0,75/0,80 0,20/0,40 0,20/0, 40 <0,03 <0,03 F- 554 Aceros extrarrápidos 10% Co 0,80/0,85 0,20/0,40 0,20/,4 0 <0,03 <0,03 55 Designación común %Cr %W %V %Mo %Co F- 551 Aceros rápidos 14% W 3,75/4,25 13,00/15, 00 1,00/1, 25 X X F- 552 Aceros rápidos 18% W 4,00/4,50 17,00/19, 00 1,00/1, 25 opcion al X F- 553 Aceros extrarrápidos 5% Co 4,00/4,50 17,00/19, 00 1,00/1, 25 0,8/1,0 0 4,0/6, 0 F- 554 Aceros extrarrápidos 10% Co 4,00/4,50 17,00/19, 00 1,00/1, 25 0,80/1, 00 9/11,0 0 56 3. CLASIFICACIÓN DE ACERO DE HERRAMIENTAS SEGUN AISI 3.1. Clasificación de acero de herramientas según la Norma AISI (norma americana) Cualquier acero utilizado como herramienta puede clasificarse técnicamente como acero para herramientas; sin embargo, el término suele limitarse a aceros especiales de alta calidad utilizados para corte o formado. Hay varios métodos para clasificar los aceros para herramientas. Uno es según los medios de templado que se usen, como aceros templados en aire, aceros templados en aceite y aceros templados en aire. El contenido de aleación es otro medio de clasificación, como aceros al carbono para herramientas, aceros de baja aleación para herramientas y aceros de mediana aleación para herramientas. Un ultimo método de agrupación es el basado en el empleo del acero para herramientas, como aceros para trabajo en caliente, aceros resistentes al impacto, aceros de alta velocidad y aceros para trabajos en frío. El método de identificación y tipo de clasificación de los aceros para herramientas adoptado por la AISI (American Iron and Steel Institute) tiene en cuenta el método de templado, aplicaciones, características particulares y aceros para industrias especificas. Los aceros para herramientas que más se utilizan se han agrupado en siete grupos y a cada grupo o sub grupo se le ha asignado una letra del alfabeto, como sigue: -Aceros de temple al agua W -Aceros para trabajos de choque S -Aceros para trabajos en frío: - Aceros de temple en aceite O - Aceros de media aleación temple aire A - Aceros altos en cromo y en carbono D -Aceros para trabajos en caliente H Aceros del tipo H -Aceros rápidos: - Aceros al tungsteno T - Aceros al molibdeno M -Aceros para usos especiales: - Aceros de baja aleación L - Aceros al tungsteno F 63 Aceros de base Wolframio (Tungsteno) (H21-H26): Los principales elementos de aleación de este grupo son C, W, C y V. Sus contenidos en estos elementos son superiores al grupo anterior, lo que hace que sean más resistentes al ablandamiento a altas temperaturas y también al desgaste erosivo. Sin embargo, esto también los hace más propensos a la fragilización a las durezas normales de trabajo (45 a 55HRC) y dificulta una refrigeración adecuada con agua durante su servicio. Este tipo de aceros requiere temperaturas de austenización mayores que en el caso de los aceros al Cromo, por lo que son más susceptibles al descascarillado durante su calentamiento en una atmósfera oxidante. Pueden ser templados al aire con una baja distorsión; aunque lo más habitual es que se empleen aceites o baños de sales para minimizar la formación de dicha cascarilla. Salvo por su elevada tenacidad, en el resto de características estos aceros son muy similares a los aceros rápidos al W. Se emplean en mandriles y matrices de extrusión a alta temperatura, en moldes de extrusión de latón y níquel; y también en matrices de forja en caliente. Aceros basados en el Molibdeno (H41-H43): Existen solo dos tipos activos de este grupo: H42 y H43. Su composición se asemeja a la de los aceros rápidos al Mo pero sus contenidos en C son más bajos. Presentan, por lo general, unos valores muy elevados de tenacidad, y una excelente resistencia al choque térmico y al ablandamiento a alta temperatura. No obstante, su ductilidad es bastante baja. Sus propiedades los hacen muy adecuados para templar en agua. Presentan características y usos casi idénticos a los aceros del grupo anterior. Las principales diferencias del H42 y H43 respecto a aquellos son: • Mucho menor coste inicial. • Mayor resistencia a la fatiga térmica. • Requiere un especial cuidado en el tratamiento térmico, respecto a la descarburación y control de la temperatura de austenización. Los aceros al Cr-Mo-V nacieron destinados a la fabricación de moldes de fundición a presión de aluminio, pero más tarde su uso se hizo extensivo a otros procesos de trabajo en caliente, y con diferentes materiales de trabajo. Los aceros más empleados para trabajo en caliente son el AISI H11 y el H13. 64 Composición grupo H Como se puede comprobar el porcentaje de carbono esta comprendido entre 0,20 y 0,70 % aproximadamente, un porcentaje bastante bajo. Equivalencias con otras normas grupo H 65 Tratamientos térmicos Típico del grupo H Normalización y templadura de las temperaturas del grupo H Endurecimiento y atenuación del grupo H 66 Tratamiento y características del grupo H Propiedades del grupo H Densidad y expansión térmica del grupo H 67 Conductividad térmica del grupo H Propiedades generales del grupo H 68 3.1.4. Aceros para trabajos en frío (grupo O, A y D) Los aceros para trabajo en frío se usan para el conformado de materiales cuya temperatura de trabajo en superficie es inferior a los 200ºC y se caracterizan por una acusada pérdida de resistencia cuando trabajan a temperaturas por encima de los 300ºC. Son aceros de muy baja templabilidad, aunque bajo tratamiento térmico pueden adquirir una dureza superficial superior a los 60HRC en profundidades de 3 a 4 mm. En estos casos, su núcleo permanece más blando y tenaz, con una dureza de entre 40 y 45HRC. Pueden resistir el desgaste superficial y los choques a los que ocasionalmente están sometidas las herramientas en su vida en servicio, aunque hay muchas otras situaciones en las que no son aptos, ya que presentan las siguientes deficiencias: • Falta de dureza en caliente (baja resistencia al revenido en caliente). • Grandes deformaciones y alta propensión a las grietas con temple en agua, sobre todo en piezas de geometría complicada. • La dureza de temple es insuficiente en herramientas de grandes dimensiones. • Es obligatorio templarlos con agua, causa principal de su casi nula aplicación actual en la fabricación de útiles y herramientas. Dentro de los aceros de herramientas para trabajo en frío se distinguen tres grupos principales, en función del contenido de aleantes: Aceros de baja aleación, temple en aire (grupo O) Estos aceros destacan por su gran indeformabilidad y porque en el tratamiento térmico en menos probable que se doblen, alaben, retuerzan, deformen o agrieten e los de temple en agua. Entre sus características principales podemos señalar su buena resistencia al desgaste, maquinabilidad y resistencia a la descarburación; la tenacidad es solo regular y su dureza en caliente tan baja como la de los aceros de herramientas al carbono. Son aceros con un contenido en Carbono entre 0,4 y 0,7%, resistentes al choque, es decir, tenaces pero con baja resistencia al desgaste. Su composición química está comprendida entre los siguientes límites: Los aceros de baja aleación de temple en aceite contienen manganeso y cantidades menores de cromo y tungsteno. Estos aceros se utilizan en la fabricación de terrajas, rodillos de laminar roscas, herramientas de forma y escariadores expansivos y se emplean en la fabricación de matrices, estampas y otros útiles que procesan metales de distintos formatos, cuyos espesores no sobrepasen los 8mm. %C %Cr %V %W 0,80-1,00 >0,40 0,05-0,1 0,50-1,00 69 Aceros de media aleación, aceros de temple en aire (grupo A) Son aceros con un contenido en carbono comprendido entre 0,40 y 1,0% y que después del temple alcanzan durezas próximas a 54HRC. Su estructura está formada por martensita y carburos no disueltos cuya dureza es superior a la de la martensita, pudiendo alcanzar los 68HRC. Su composición química está comprendida entre los siguientes límites: Los aceros de este grupo se destacan por se excelente indeformabilidad, presentando una resistencia al desgaste buena, tenacidad, y una maquinabilidad que va de regular a mala. %C %Cr %Mo %V 0,90-1,05 4,80-5,50 0,90-1,20 0,10-0,30 El aumento del contenido en elementos aleados, particularmente de manganeso y molibdeno, confiere a estos aceros unas propiedades características del temple al aire muy acusadas, y aumentan la templabilidad. Se emplean para la fabricación de útiles y herramientas que necesitan una elevada tenacidad, sacrificando su dureza y resistencia al desgaste. Así se utilizan, por ejemplo, en la fabricación de matrices, estampas y demás herramientas y útiles que procesan materiales metálicos de distintos formatos con espesores entre 3 y 8mm. Además se emplean en aquellos casos en que por razones económicas las herramientas no se puedan fabricar con aceros de alta aleación. Aceros de alta aleación, de alto carbono y alto cromo (grupo D) Este grupo está formado por aceros de alta aleación y altos contenidos en Carbono como son: • Aceros al Cromo (12% Cr). • Aceros rápidos con contenidos en Carbono entre 0,85% y 1,3%. Son aceros que una vez templados y revenidos pueden llegar a alcanzar durezas de 65HRC, además de conseguir una muy buena resistencia al desgaste, alta resistencia a la compresión y una moderadamente baja tenacidad. Se caracterizan también por su buena resistencia a la abrasión y mínima variación de dimensiones en el temple. Su composición química está comprendida entre los siguientes límites: %C %Cr %Mo %V 1,50-2,20 11,00-2,50 0,60-12,5 0,90-1,10 La combinación del carbono y cromo en cantidades elevadas proporciona una excelente resistencia al desgaste e indeformabilidad. Se emplean como alternativa a los aceros de baja aleación cuando se fabrican grandes series de piezas y/o cuando se requieren herramientas con alta resistencia al desgaste combinada con una tenacidad moderadamente baja. 70 71 GRUPO A Composición grupo A Equivalencias con otras normas grupo A Tratamientos térmicos Típico del grupo A Normalización y templadura de las temperaturas del grupo A 72 Endurecimiento y atenuación del grupo A Tratamiento y características del grupo A Propiedades del grupo A Densidad y expansión térmica del grupo A 79 Equivalencias con otras normas grupo M Tratamientos térmicos Típico del grupo M Normalización y templadura de las temperaturas del grupo M 80 Endurecimiento y atenuación del grupo M Tratamiento y características del grupo M 81 Propiedades del grupo M Densidad y expansión térmica del grupo M Conductividad térmica del grupo M 82 Propiedades generales del grupo M GRUPO M Composición grupo T 83 Equivalencias con otras normas grupo T Tratamientos térmicos Típico del grupo T Normalización y templadura de las temperaturas del grupo T Endurecimiento y atenuación del grupo T 84 Tratamiento y características del grupo T Propiedades del grupo T Densidad y expansión térmica del grupo T Conductividad térmica del grupo T 85 Propiedades generales del grupo T 3.1.6. Aceros para usos especiales (grupo F y L) Los aceros al tungsteno (grupo F) presentan una resistencia al desgaste muy bueno, utilizándose para la construcción de herramientas de bruñir, hileras de trefilar matrices de estampar y matareis para extrusión en frío. Los aceros de baja aleación (grupo L) especialmente los que contienen níquel, destacan por su tenacidad. Se utilizan par la fabricación de herramientas y piezas sometidas a golpes fuertes, como ocurre con las cuchillas de las cizallas, rodillos de laminar roscas, algunas piezas de los embragues y trinquetas y uñas de retenida de los divisores. GRUPO L Composición grupo L Equivalencias con otras normas grupo L 86 Tratamientos térmicos Típico del grupo L Normalización y templadura de las temperaturas del grupo L Endurecimiento y atenuación del grupo L Tratamiento y características del grupo L Propiedades del grupo L Densidad y expansión térmica del grupo L 87 Propiedades generales del grupo L GRUPO F Composición grupo F Tratamientos térmicos Típico del grupo F Normalización y templadura de las temperaturas del grupo F Endurecimiento y atenuación del grupo F 3.1.7. Aceros para moldes (grupo P) Los aceros para moldes (grupo P) se utilizan para la fabricación de troqueles para la industria de plásticos, los cuales se conforman por punzonado o por un proceso mixto de punzonado y mecanizado. 88 GRUPO P Composición grupo P Equivalencias con otras normas grupo P Tratamientos térmicos Típico del grupo P Normalización y templadura de las temperaturas del grupo P 95 la mayoría de los restantes aceros de herramientas ofrecen una resistencia a la descarburación buena. 4.7. Maquinabilidad Esta propiedad indica la mayor o menor facilidad que presenta el material a su mecanización y a la obtención de un acabado perfecto. Los factores que influyen en la maquinabilidad de los aceros de herramientas son la dureza en estado de recocido, la microestructura del acero y la cantidad de carburos presentes. En comparación con los aceros aleados normales, los aceros de herramientas son mucho más difíciles de mecanizar. El acero de herramienta que presenta mejor 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 herramientas se toma W, a los que se asigna arbitrariamente el índice 100 (Tabla II). La maquinabilidad y facilidad de trabajo de los aceros de herramientas disminuye al aumentar el contenido de carbón y elementos de aleados. Conforme aumenta el contenido en carbono y elementos de aleación en los aceros, carbono en combinación con elementos que tienen gran tendencia a formar carburos, como el vanadio, el tungsteno, el cromo y el molibdeno, reduce la maquinabilidad al formarse gran número de partículas duras de carburo, que no se disuelven en el recocido. 96 4.8. Dureza respecto de la temperatura La dureza respecto a la temperatura, disminuye a mayor temperatura y dependiendo de la composición y tipos de acero de herramienta reduce significadamente. Los aceros que menos se ven afectados por las temperaturas de los aceros de herramientas vienen a ser los aceros rápidos, ya que presentan una dureza en caliente excelentes e inderformabilidad La capacidad de un acero de herramientas para oponerse al ablandamiento en temperaturas elevadas es también relacionada con su capacidad de desarrollar el endurecimiento secundario por la suma de fases especiales, como el exceso de carburos, en la microestructura. 97 4.9. Rotura de las herramientas Estas son, en general, las condiciones donde normalmente un acero de herramienta se ve sometido: * Desgaste (70%) * Fatiga térmica (3%) * Fatiga mecánica (22%) * Deformación plástica (5%) Causas a tener en cuenta de una posible rotura de las herramientas: -Proyecto defectuoso de la herramienta: La forma de la herramienta puede ser causa de su rotura bien en el tratamiento térmico o una vez en servicio. Cuando una herramienta tenga que templarse en un medio refrigerante líquido hay que evitar que la pieza presente cambios bruscos de sección. -Mala calidad del acero: Pese al cuidadoso control que se ejerce durante la fabricación del acero y a la inspección a que se le somete, de vez en cuando pueden aparecer defectos en el acero. Estos pueden ser zonas porosas debidas a al contracción que tiene lugar durante la solidificación del lingote y que se conocen como venteaduras o sopladura, o bien sojas o pliegues debidas a la segregación o inclusiones no metálicas. -Tratamiento térmico defectuoso: Este factor es causa de gran parte de los fracasos de las herramientas. Las herramientas tienen que manejarse con todo género de precauciones durante el temple y después de él. -Defectos debidos al rectificado: El rectificado de la superficie de una herramienta templada puede dar origen a la creación de tensiones muy elevadas, cuya magnitud puede ser suficiente para que se formen grietas. -Roturas debidas a sobrecargas mecánicas y al proceso de trabajo: Entre los factores mecánicos que pueden originar la rotura de las herramientas se encuentran las sobrecargas, las cuales pueden ser accidentales o estar motivadas por una concentración excesiva de tensiones, o por una alineación o ángulo de incidencia de la herramienta inadecuada. 98 4.10. Elementos de aleación Las propiedades de los aceros de herramientas se consiguen mediante la adición de elementos de aleación, el procesado adecuado y un correcto tratamiento de temple y revenido. Por tanto en este apartado explicaremos la influencia de los elementos de aleación en los aceros de herramientas. -Níquel: aumenta la resistencia a la tracción sin disminuir la ductilidad, aumenta la resistencia a la oxidación. -Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios. -Níquel y Cromo: elevada resistencia y dureza como resistencia a la oxidación Para engranajes, ejes, cigüeñales, bielas, se emplean para fabricar aceros inoxidables de varios tipos. -Silicio: se considera aleánte cuando esta en contenidos superiores a los normales, Para resortes hasta 1,5 %; chapas de motores eléctricos 5 %. -Manganeso: Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de los aceros. -Aluminio: como desoxidante y afinador del grano metálico. -Molibdeno: mejora la resistencia a la tracción pero se utiliza para mejorar la templabilidad. -Vanadio: se agrega para que la estructura del grano sea fina. aceros para resortes y herramientas. -Tungsteno: Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas y es un endurecedor para aceros de herramientas. -Cobalto: Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. 99 -Titanio: es desoxidante y afinador del grano, evita la corrosión en los aceros inoxidables. -Boro: extraordinaria eficacia para aumentar la templabilidad 0.001 -Azufre: Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un 0.05 %, en caliente produce una gran fragilidad del acero, sus efectos perjudiciales pueden neutralizarse en parte con la adición del manganeso, que se combina con él formando sulfuro de manganeso. A veces se adiciona en proporciones de 0.1 a 0.3 % con un contenido mínimo de manganeso de 0.6 %, dando lugar a aceros llamados de fácil mecanización, que tienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades de corte doble que un acero corriente. -Plomo: El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. -Silicio: Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, además les proporciona elasticidad. Si la proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienen buenas características magnéticas. Efecto de los elementos de aleación en las propiedades del acero 100 5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS 5.1. Introducción El acero es una aleación de hierro con carbono en una proporción que oscila entre 0,03 y 2%. Se suele componer de otros elementos, ya inmersos en el material del que se obtienen. Pero se le pueden añadir otros materiales para mejorar su dureza, maleabilidad u otras propiedades. Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres sustancias, ferrita, perlita, cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura características, sus propiedades físicas con intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita. En el caso de los aceros de herramientas, a excepción de los aceros rápido, a están sujetas a las mismas características en los tratamientos térmicos que el resto de los aceros, aunque los aceros de herramientas requeriran de unas prestación y requerimientos mayores, por lo que trataremos este tema de forma general sin especificar en los aceros de herramientas. Salvo en casos muy específicos, todos los aceros de herramientas deben ser tratados térmicamente para conseguir que los útiles posean una aceptable tenacidad con una determinada dureza y resistencia al desgaste, una vez que haya sido escogido el nivel de prestaciones que pueda aportar a la aplicación para la que van destinados. En la mayoría de estos aceros estas propiedades óptimas de utilización se consiguen con un tratamiento de temple y revenido. A los útiles y componentes de coste relativamente elevado, de sustitución onerosa o de alta responsabilidad, pueden realizárseles distintos tratamientos adicionales al tratamiento clásico de temple y revenido para, principalmente, aumentar la vida del útil en determinadas condiciones de trabajo. 101 5 .2. Generalidades En principio, los únicos tratamientos que se utilizaban eran los tratamientos térmicos, el objeto de estos era mejorar las propiedades mecánicas de los metales, obteniendo algunas veces mayor dureza y resistencia mecánica, y otra mayor plasticidad para facilitar su conformación. Por inducción se extendió más tarde la denominación de tratamientos a otros procesos, como la segmentación, cianuración etc. 5.3. Definición Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a temperaturas y en condiciones determinadas a que se someten los aceros para conseguir las propiedades y características más adecuadas a su empleo o transformación. No modifican la composición química pero sí otros factores tales como los constituyentes estructurales y como consecuencia las propiedades mecánicas. 5.4. Características Una característica fundamental de los tratamientos térmicos es que estos son realizados al acero, y su meta principal es trabajarlo de manera óptima para lograr tener materia prima y productos terminados con el fin de lograr un desarrollo en determinadas industrias. 5.5. Tipos de tratamientos Los principales tratamiento térmicos aplacable en el acero son: • Temple • Revenido • Recocido • Cementación • Nitruración • Carbo nitruración Un tratamiento de temple seguido de un revenido, se denomina corrientemente bonificación. Más adelante se definirá otro tipo de tratamiento para aceros para herramientas a través de la aplicación de tratamiento criogénico. 102 5.6. Desarrollo de los tratamientos térmicos Los tratamientos térmicos se desarrollan en tres fases: 5.6.1. Calentamiento hasta la temperatura máxima De cuanto queda expuesto que para el buen éxito del temple es necesario conocer la temperatura a la que, durante el enfriamiento se inicia la formación sartencita para escoger en base de ella el enfriamiento mas adecuado. Esta temperatura se representa generalmente por Ms y depende esencialmente de la composición del acero. En los aceros al carbono es inversamente proporcional al contenido del mismo. A titulo orientativo se puede considerar: • Para aceros hipoeutectoides: C≥0.10% Ms 500 ºC • Para aceros eutectoides: C=0.87% Ms 220ºC. • Para aceros hipereutectoide: C>0.87% Ms ≤150ºC El fenómeno se puede explicar en líneas generales, considerando la cantidad de Fe3c contenida en la austerita, es decir la concentración de carbono en el hierro. 5.6.2. Permanencia a la temperatura máxima Para conseguir un buen temple es necesario calentar el acero y mantenerlo durante un cierto tiempo, a una temperatura tal que provoque la autenitización completa de la estructura. En consecuencia, la temperatura de calentamiento depende del contenido de carbono. • Para los aceros hipoeutectoide, es superior al punto crítico Ac3. • Para los aceros hipoeutectoide, es superior al punto crítico AC1. En general, esta temperatura la señala el proveedor, y normalmente de unos 40ºC a 50ºC por encima del punto critico. Una temperatura demasiado alta engrosa demasiado el grano austenitico, aumentando la fragilidad y las tensiones internas en la pieza templada. En la siguiente tabla se indica, a titulo orientativo las temperaturas de austenitizacion de algunos aceros al carbono, Porcentaje de carbono: 0,4 – 0.5 – 0.8 – 1.2 Temperatura de austenitizacion respectivamente ºC: 850 – 820 780 – 770. 103 5.6.3. Enfriamiento desde la temperatura máxima hasta la temperatura ambiente Los sistemas de enfriamiento utilizados para los tratamientos térmicos s eligen tomando en cuenta tres parámetros: Composición del metal a tratar dimensiones de la pieza y propiedades a obtener. 5.6.4. Desarrollo de los tratamientos en los aceros rápidos Las temperaturas de los tratamientos térmicos de los aceros rápidos son bastante más elevadas que las de los aceros al carbono. Además los calentamientos de los aceros rápidos deben hacerse más lentamente, aproximadamente a la mitad de velocidad que para los aceros al carbono, pues la transmisión del calor a través de la masa de acero se hace más difícilmente. También la permanencia a las temperaturas límites debe ser más prolongada. Los calentamientos de forja y temple que deben llegar a temperaturas superiores a los 1000º C, se aconseja realizarlos en dos fases: una en la que se lleva la temperatura a 800º C y se uniformiza la temperatura, y otra en la que se lleva la pieza a la temperatura final de tratamiento. De esta forma se minimiza el tiempo que la pieza tiene que estar a muy alta temperatura, evitando así problemas de quemado y de crecimiento anormal del grano. 5.7. Hornos utilizados para los tratamientos térmicos El horno es el elemento principal de los tratamientos térmicos es un instrumento constituido por una caja susceptible de calentamiento y que permite el control y la regulación del tiempo, de la temperatura, de la atmósfera, y de las velocidades de calentamiento y de enfriamiento. Tipos de hornos • Calentamiento: Eléctrico (por resistencia, por inducción), a Gas, a fuel Oil. • Según la atmósfera reinante en el horno: Vació, Neutra (Argon, Helio, Nitrógeno), Reductora (Exogas, Endoga, Amoniaco Disociado, Hidrogeno de atmósfera sintética. • Según la Solera: Discontinua, Continua, (Horizontal, Vertical). Todos nuestros hornos se caracterizan por su adecuación o adaptación a la aplicación concreta exigida. Dicha exigencia se refiere siempre a aspectos de: a) Comodidad y funcionalidad operativa. b) Dimensionado de la cámara de tratamiento paticularizando en función del tipo de piezas a tratar. c) Fabricación adaptada a las diversas fuentes de energía. 104 HORNOS PARA TEMPLES / RECOCIDO: Se diseña para poder alcanzar unas temperatura de trabajo de 1100 ºC – 1400 ºC, máximas capaces de provocar el cambio necesario de la estructura metalografica del metal a tratar. En la versión de horno eléctrico se prevé una entrada de gas protector (generalemte nitrógeno) a la cámara de tratamiento con el fin de proteger a las piezas a tratar contra la descarburación. Cuando se trata de hornos a combustible liquido o gaseoso la regulación del circuito de combustión permite obtener en la cámara de tratamiento una atmósfera oxidante, neutra o reductora. En este caso los quemadores a instalar son básicamente de dos tipos en función del sistema de aportación del aire necesario para la combustión. Hornos según el sistema de calentamiento: El calentamiento por gas tiene como ventaja la economía y como inconveniente la dificultad del control de la temperatura. El sistema de resistencia eléctrica que aprovecha el calor generado según la ley Joule. La disposición de la resistencia da nombre a los hornos, que son de tipo mufla o cajas. 111 5.9.5. Recocido en los aceros rápidos El recocido de los aceros rápidos se realiza a temperaturas de 850 a 900º C, bajando su dureza de unos 600 a unos 250 Brinell. Como los aceros al cobalto tienen tendencia a oxidarse mucho y a descarburarse, se deben recocer en hornos de atmósferas controladas o en cajas de carbón vegetal muy seco en trozos de unos 5 mm o con viruta de fundición. Las cajas se cierran con arcilla para conseguir su perfecta estanqueidad. La velocidad de enfriamiento debe ser inferior a los 10º C por hora hasta los 600º C, pudiendo luego enfriar al aire. De esta forma se evita templar el acero. 5.10. Temple 5.10.1. Definición Es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento, generalmente rápido con una velocidad mínima llamada "crítica". 5.10.2. Generalidades El temple de los aceros consiste en un calentamiento a temperatura suficientemente elevada para transformar toda la masa del acero en austenita, seguido de un enfriamiento suficientemente rápido para transformar la austenita en martensita En la práctica, sin embargo, como luego veremos, no interesa transformar la totalidad de la masa de los aceros hipereutectoides (de más de 0.89 por ciento de carbono) en austenita, pues la cementita, que no se ha transformado y queda, por tanto, en la pieza después del temple, es aún más dura que la martensita. Productos de transformación de la austenita obtenidos según la velocidad de enfriamiento de un acero al carbono de 0.45 % de C. Tampoco se transforma en la práctica la totalidad de la austenita formada, en martensita, en muchos casos porque es imposible conseguir una velocidad de enfriamiento suficientemente rápida en la totalidad de la masa de las piezas 112 muy grandes, y en otros porque no interesa obtener este constituyente, sino otros como bainita, etc. como ocurre en algunas variedades del temple 5.10.3. Primera fase del temple: calentamiento Esta fase tiene por objeto, en teoría, transformar toda la masa del acero en austenita. Su desarrollo esta definido por tres variables: velocidad de elevación de temperatura, permanencia a la temperatura limite y temperatura limite. Temperatura limite del temple: Se define la temperatura límite de temple como la mínima que debe alcanzar un acero de una composición determinada, para que toda su masa pueda transformarse en cristales de austenita. Esta condición debe cumplirse rigurosamente en los aceros hipoeutectoides (de menos de 0.89% de carbono) para que el temple obtenido sea perfecto En los aceros hipereutectoides, teóricamente y de acuerdo con lo dicho, también debería exigirse que a la temperatura limite de temple toda la masa del acero quedase transformada en austenita. Prácticamente sin embargo, se obtiene tan buenas o mejores características del acero templado sin llegar a la austenización completa de la masa, o sea, rigurosamente hablando con un temple imperfecto. Temperatura de temple recomendada para los aceros al carbono hipoeutectoides 5.10.4. Segunda fase del temple: el enfriamiento Tiene por objeto, en teoría, transformar la totalidad de la austenita formada en martensita, aunque en alguna variedad de temple el constituyente final deseado es la bainita. El factor que caracteriza a la fase de enfriamiento es la velocidad de enfriamiento mínimo para que tenga lugar la formación de la martensita. Esta velocidad se denomina velocidad crítica de temple. Para aclarar mejor este concepto, seguiremos el proceso de enfriamiento de un acero eutectoide, o sea, de 0,89 por ciento de C, cuya temperatura teórica de transformación de la austenita es 723°. Supongamos que lo calentamos hasta 773°, es decir a A 3 + 50°. Este margen de 50° se da para tener la seguridad de que se ha rebasado la temperatura límite de austenización a la velocidad de calentamiento que prácticamente se 113 emplee. Supongamos, por tanto, que al terminar de elevarse la temperatura hasta la indicada, y después de mantener el acero en ella el tiempo necesario, todo el material se ha transformado en austenita. A continuación se enfría al acero a distintas velocidades, representadas por las líneas verticales Procesos de enfriamiento desde el estado austenítico de una aleación hierro – Carbono eutectoide a diferentes velocidades de enfriamiento y productos obtenidos en la transformación de la austenita. I , II, III, IV y V, y examinemos lo ocurrido en cada uno de estos cinco procesos de enfriamiento. Línea I. - Enfriamiento lento en el interior, del horno. La transformación de la austenita tiene lugar en el punto Ar, a unos 700°, es decir, con sólo 23º C de retraso de la temperatura crítica de equilibrio A1 = 723°. El constituyente finalmente obtenido es perlita de poca dureza (200 HB), que crece cuanto más fina es su estructura, es decir, cuanto mayor es la velocidad de enfriamiento. El proceso, en realidad, ha sido el de un recocido de regeneración. Línea II. - Enfriamiento menos lento. La transformación de la austenita se retrasa más y tiene lugar a unos 650°, siendo el constituyente formado sorbita, cuya dureza, 320 HB, es superior a la de la perlita. Línea III.- Enfriamiento medianamente rápido. La transformación de la austenita tiene lugar a 600°, siendo el constituyente formado la troostita, más duro que los anteriores, pues tiene 450 HB. Línea IV. - A partir de una velocidad de enfriamiento determinada, que se denomina primera velocidad crítica, de temple o velocidad critica inferior, se observa un desdoblamiento del punto crítico Ar en dos: uno que se denomina Ar`, que aparece a temperaturas de unos 600°, que es la iniciación de la troostita y otro punto de transformación Ar'" (1), que aparece a unos 250°, a partir cual se forma martensita, que es, como se sabe, el constituyente característico de los aceros templados. 114 Línea V.- Enfriamiento rápido. A partir de una velocidad determinada de enfriamiento desaparece el primer punto de transformación Ar` quedando únicamente el punto Ar´´´. La velocidad mínima a que tiene lugar esta desaparición del punto Ar' se denomina segunda velocidad crítica de temple o velocidad crítica superior o, más comúnmente, velocidad crítica de temple. A partir de ella, el único constituyente formado por transformación de la austenita es la martensita, que es el único constituyente de los aceros que han adquirido un temple perfecto 5.10.5. Velocidad crítica del temple Se define la velocidad crítica de temple, de acuerdo con lo expuesto en el parágrafo anterior, como la velocidad de enfriamiento mínima para que la totalidad de la austenita formada en el calentamiento del acero, se transforme en martensita. Las velocidades críticas de temple varían, para los aceros al carbono, de 200º a 600º por segundo, según sea el porcentaje de carbono. Los elementos de aleación hacen, en general, disminuir la velocidad crítica de temple, pudiendo algunos aceros aleados templarse al aire, a velocidades inferiores a 50º/s 115 5.10.6. Representación del temple en los diagramas de las curvas Todo lo que hemos expuesto en el parágrafo anterior puede representarse en los diagramas de las Curvas TTT. En la figura 29-3 se ha representado el diagrama TTT correspondiente al "mismo acero. En él se han dibujado también las líneas I, II, III, IV y V, que representan las curvas de enfriamiento a diferentes velocidades. Representación de los procesos de enfriamiento en el diagrama TTT. Representación de los procesos enfriamiento en el diagrama TTT del mismo acero. La curva representativa de la velocidad crítica del temple es la V, tangente a la curva de iniciación de transformación de la austenita. A menores velocidades, parte de la austenita se transformará en otros constituyentes. A velocidades superiores a la crítica, toda la austenita se transformará íntegramente en martensita. 116 5.10.7. Factores que influyen en la práctica del temple Los factores que más influyen en el temple son: El tamaño de las piezas, su composición, el tamaño de su grano y el medio de enfriamiento aplicado. 5.10.8. Influencia del tamaño de las piezas Uno de los factores que más influyen en las características finales que se obtienen al templar una pieza de acero, es su tamaño. En los perfiles delgados, tanto en el calentamiento como en el enfriamiento, se observará muy poca diferencia de temperatura entre la periferia y el interior de las piezas. Pero si se trata de piezas de gran espesor o gran diámetro, se comprende perfectamente que la temperatura en su interior sea inferior en el calentamiento y superior en el enfriamiento a la de su periferia, ya que el calor no se transmite directamente al interior, sino a través del espesor de la pieza, necesitando la transmisión de un tiempo determinado, que es el que produce el retraso con relación al proceso que se sigue. Si se trata de calentamientos, el tamaño de las piezas no tiene otra influencia que aumentar la duración del proceso, pues, en general, no está limitada (hasta una temperatura determinada) la duración del calentamiento más que por razones económicas. Si la temperatura es muy elevada, ya hemos dicho que la duración del calentamiento aumenta el tamaño del grano. Pero si se trata de un enfriamiento y siempre relativamente rápido como exige el temple, la influencia del espesor tiene mayores consecuencias, puesto que las velocidades que se obtienen en el interior de la pieza son a veces muy inferiores a las de la periferia. Y el resultado es que en piezas muy gruesas la velocidad de enfriamiento, a partir de un diámetro determinado, es inferior a la crítica y el núcleo de las piezas queda sin templar. Sí esta barra se parte, se observan dos zonas perfectamente diferenciadas: una interior, de grano grueso, que es la zona que no ha adquirido temple por que la velocidad de enfriamiento ha sido inferior a la crítica, y otra zona periférica, de grano fino, que es la zona templada La zona templada tiene aproximadamente la misma profundidad, sea cual sea el diámetro de la barra o espesor de la pieza, para, una misma composición del acero y condiciones de enfriamiento aumentando ligeramente a medida que el diámetro es más pequeño. Se comprende que cuando el radio de la pieza sea aproximadamente igual que la profundidad del temple, la totalidad de la masa del acero quedará templada. 117 5.10.9. Influencia de la composición El contenido de carbono del acero influye a la vez en la temperatura y en la velocidad crítica del temple. La temperatura de temple es tanto más baja cuanto más se aproxima el acero a la composición eutectoide. En el cuadro 29- 1 se dan las temperaturas de temple correspondientes a aceros de diferente contenido de carbono. La velocidad crítica de temple disminuye cuando el contenido de carbono aumenta Velocidades críticas de temple de los aceros al carbono hipoeutectoides Por tanto, para las mismas condiciones de enfriamiento, el temple obtenido es más enérgico y la dureza en los aceros al carbono templados es mayor cuando más alto su porcentaje de carbono Los elementos de aleación cambian la posición del punto eutectoide en el diagrama hierro-carbono ya conocido, y el acero aleado eutectoide no tiene ya el mismo porcentaje de carbono y, por tanto, se desplaza a derecha y a izquierda, ni la misma temperatura de transformación, y por tanto se desplaza hacia arriba o hacia abajo. En líneas generales, ocurren las siguientes variaciones: 1. - El aluminio, el berilio, el niobio, el tántalo, el titanio y el circonio forman carburos y aumentan, por tanto, el contenido de carbono del eutectoide desplazándolo hacia la derecha. Influencia del contenido carbono en el endurecimiento obtenido por el temple de los aceros al carbono 118 2. - El cobalto, el cobre y el silicio forman soluciones sólidas con el hierro, pero no dan ningún carburo. Como consecuencia, baja el contenido de carbono del eutectoide, desplazándose hacia la izquierda. 3. - El molibdeno, el cromo, el walframio, el manganeso y el níquel disminuyen o aumentan el contenido de carbono del eutectoide, según la importancia de la aleación, pues de ella depende que formen soluciones sólidas con el hierro y el carbono o carburos metálicos. TEMPERATURAS RECOMENDADAS PARA EL TEMPLE DE LOS ACEROS AL CARBONO %C ºC Austenización 0.10 925 0.20 900 0.30 870 0.40 840 0.50 830 0.60 810 0.70 780 0.80 770 0.90 770 Incompleta 1.00 760 Completa 1.20 760 Completa 1.40 760 Completa Influencia de los elementos de aleación de los aceros en la posición de los puntos críticos. Si los elementos aleados son dos o más, se suman las traslaciones obtenidas Además de variar los elementos aleados, la temperatura de temple, varía también la velocidad crítica, desplazando las curvas de los diagramas TTT hacia la derecha. 119 Influencia del porcentaje de manganeso en la velocidad crítica de temple de un acero de 0.60% de Cr, 0.91% de Mn, 1.32% de Mn Los elementos que más disminuyen la velocidad crítica del temple son el magnesio y el molibdeno, aunque con menos intensidad, el cromo, el silicio y el níquel Profundidad de temple obtenido en barras de acero al carbono y aceros cromo níquel de diferentes diámetros. La zona sin templar es la oscura Como consecuencia de la disminución de la velocidad crítica de temple, resulta mayor la profundidad de la zona que queda templada en los aceros aleados con manganeso, molibdeno, cromo, silicio y níquel. Y resulta también mayor el diámetro o espesor de las piezas que pueden quedar totalmente templados en los aceros aleados que en los aceros al carbono 5.10.10. Influencia del tamaño del grano El tamaño del grano influye principalmente en la velocidad crítica de temple. A igualdad de composición las velocidades críticas de temple de los aceros de grano grueso son inferiores a las velocidades críticas de los aceros de grano fino. 5.10.11. Influencia del medio de enfriamiento Al sumergir una barra de acero a alta temperatura en un líquido, tienen lugar las siguientes etapas 1. ª Inmediatamente después de introducir la barra se forma una capa de vapor que envuelve el metal y que dificulta el enfriamiento, que por esta razón empieza siendo bastante lento influyen en esta etapa la temperatura inicial del baño, la temperatura de ebullición, la conductividad de su vapor y el grado de agitación del baño, que remueve el liquido en contacto con la barra. 120 2. ª Al descender la temperatura desaparece la envuelta de vapor, aunque el líquido en contacto con el metal sigue hirviendo y produciendo burbujas. El enfriamiento es rápido y se denomina enfriamiento por transporte de vapor. Influyen en esta etapa el calor de vaporización y la viscosidad del líquido. 3. ª Cuando la temperatura del metal desciende por debajo de la temperatura de ebullición del líquido de temple, el enfriamiento se hace por conducción y convención; pero como entonces la diferencia de temperatura entre el metal y el medio es pequeña, el enfriamiento es lento, dependiendo de la conductividad térmica del líquido y de su grado de agitación. De lo expuesto se deduce que las propiedades de los líquidos que más influyen en el enfriamiento de los aceros son: la temperatura inicial del baño, su temperatura de ebullición, su calor de vaporización, su calor específico, su conductividad calorífica, su viscosidad y, además, la masa del baño y su grado de agitación. Curva de enfriamiento de un cilindro de acero de pequeño diámetro en agua a 58 grados (Scott). 1. ° Temperatura del baño: La temperatura del baño influye mucho en la velocidad inicial del enfriamiento. Si la temperatura del baño, es alta, se prolonga mucho la primera etapa. 2. ° Temperatura de ebullición del líquido: Cuanto más volátil es el baño, o sea, cuando más bajo sea su punto o temperatura de ebullición, mayor será el desprendimiento de vapor en la primera etapa y más lento será, por tanto, el enfriamiento. En la figura 29-16 puede verse que el agua y el agua jabonosa, que son los medios más volátiles, son las que producen un enfriamiento más lento en la primera etapa. 3. ° Calor de vaporización: Cuanto mayor sea el calor de vaporización del medio, mayor será el calor desprendido en la primera etapa por el vapor que se produzca en ella. 4. ° Calor específico: Cuando mayor sea el calor específico, menor será la elevación de la temperatura del baño, para una misma masa de líquido v 127 5.11.2.2. Curvas de dureza/temperatura de revenido para aceros para herramientas aleados para trabajo en frío Al igual que en los aceros no aleados para trabajo en frío disminuye la dureza con la temperatura en el revenido, pero en los aceros aleados para trabajo en frío conserva mejor la dureza a mayor temperatura de revenido. 128 5.11.2.3. Curvas de dureza/temperatura de revenido para aceros para herramientas para trabajo en caliente Como se puede comprobar en las graficas, en los aceros de herramientas para trabajo en caliente la temperatura del revenido puede llegar hasta los 700 ºC. También en las graficas, vemos que las gráficas no tienen forma de parábola, por lo que en este caso disminuye y luego aumenta la dureza respecto la temperatura, teniendo dos puntos de inflexión. También se puede comprobar que la dureza es inferior respecto al resto de los aceros de herramientas. 129 5.11.2.4. Curvas de dureza/temperatura de revenido para aceros rápidos para herramientas En las graficas de los aceros rápidos vemos también que pueden llegar la temperatura de revenido hasta los 700ºC y además que las graficas aumentan la dureza respecto a la temperatura hasta su punto de inflexión para luego bajar. 130 5.12. Templabilidad Ocurre cuando los aceros se dejan penetrar por el temple. Esta solo se refiere a la facilidad de penetración por el temple y no a las características obtenidas por e, pero a consecuencia de esta facilidad se obtiene mejora en otras características y recomienda el empleo de acero del gran templabilidad, sobre todo para la fabricación de grandes piezas. La templabilidad influye principalmente en los elementos aleados y el tamaño del grano, el elemento que mas lo favorece son manganeso, el moliteno y cromo. La determinación de la templabilidad puede hacerse por el examen de la fractura de probeta templada, por medio de las curvas en U mas exactamente por el diámetro critico ideal o por el ensayo de Jomyng. 131 5.13. Tratamiento criogénico 5.13. 1. Introducción El tratamiento criogénico es una tecnología conocida desde hace tiempo. El propósito principal de su aplicación es el de aumentar la resistencia al desgaste de aceros para herramientas para prolongar el tiempo de vida útil de las mismas. Sin embargo, su aplicación dentro de la industria es muy limitada y los verdaderos fundamentos teóricos del porqué de sus beneficios siguen en discusión. 5.13. 1. Principios del tratamiento criogénico El tratamiento criogénico consiste en enfriar los materiales a velocidad de - 1ºC/min de temperatura ambiente a -196ºC, mantener esta temperatura por un intervalo mínimo de 20hrs, dejar regresar el material a temperatura ambiente por convección natural dentro de la cámara criogénica y finalmente aplicar un revenido a 150ºC durante 2hrs por pulgada de sección transversal de la pieza. Bajo este tratamiento se obtienen los siguientes resultados, 1) Alrededor de los -80ºC, se asegura la terminación de la transformación de la austenita en martensita para cualquier acero, por lo que se obtiene una estructura 100% martensítica. Esta estructura es dimensionalmente estable, ya que la martensita no se transforma en otra estructura a temperatura ambiente, además de ser más resistente al desgaste. Esta transformación es independiente del tiempo, solo es necesario que el material llegue a la temperatura Mf para que la transformación se lleve a cabo. 2) Bajo la exposición de la martensita a temperaturas criogénicas por tiempo prolongado, se forman millones de etacarburos, cuya composición química depende de los elementos de aleación que contenga el material. Estos carburos hacen de la matriz una estructura más densa y homogénea, la cual es más resistente al desgaste 3) Para cualquier otro material (no ferroso o ferroso sin tratamiento térmico), la estructura cristalina se perfecciona, eliminando vacancias, traslapes, dislocaciones, etc., transformación que resulta en una liberación de esfuerzos residuales muy considerable, haciendo más tenaz al material tratado. 132 Fig. 2.4 Izquierda, arreglo molecular de una estructura templada. Derecha, arreglo molecular de una estructura después de tratamiento criogénico. Este tratamiento es permanente y no es un sustituto del templado sino una continuación del mismo. Transforma la austenita retenida en martensita en los aceros templados y perfecciona la red molecular en todo el material. Ejemplo de mejoras de un ensayo realizado en tres laboratorios de Villacero sobre aceros de herramientas. 133 134 6. ACEROS DE HERRAMIENTAS MÁS COMUNES En este apartado veremos algunos de los aceros de herramientas más comerciales y comunes que podemos encontrar. 6.1. Aceros aleados para trabajo en frío 6.1.1. X153CrMoV12 Propiedades Acero ledeburítico al 12% de cromo, de mínima variación dimensional; especialmente apto para el temple al aire. Buena tenacidad. Aplicación Herramientas de corte de gran rendimiento (matrices y punzones), herramientas para la técnica de estampado, herramientas para trabajar madera, cizallas para cortar de poco espesor, herramientas para laminar roscas, herramientas para estirar, para embutición profunda y extrusión en frío, para las industrias farmacéutica y de cerámica, cilindros para laminar en frío (cilindros de trabajo) para trenes de laminación de cajas múltiples, herramientas de medición, moldes pequeños para material plástico que exigen gran resistencia al desgaste. 135 JIS: Norma Japonesa AFNOR : Norma Francesa GOST : Norma Rusa BS : Norma de Reino Unido UNI : Norma Italiana SIS : Norma Sueca Conformación en caliente -Forjado: 1050 a 850°C. Enfriamiento lento en el horno o en material termoaislante. Tratamiento térmico -Recocido blando: 800 - 850°C Enfriamiento lento y controlado en el horno 10-20°C, enfriamiento posterior al aire. Dureza después del recocido blando: máx. 250 Brinell. -Recocido de eliminación de tensiones: 650 - 700°C. Después de calentamiento a fondo mantener 1 a 2 horas a temperatura constante en atmósfera neutra / enfriamiento lento en el horno. -Temple: 1020 - 1040°C. Herramientas de configuración complicada al aire, herramientas de configuración sencilla en aire comprimido, aceite, baño de sal de 220 a 250°C o 500 a 550°C. Tiempo de permanencia después del calentamiento a fon do: 15 - 30 minutos. Dureza obtenible: 63 - 65 HRC. -Revenido: Calentamiento lento hasta la temperatura de revenido inmediatamente después del temple / tiempo de permanencia en el horno: 1 hora por cada 20 mm de espesor de la pieza, pero como mínimo 2 horas / enfriamiento al aire. Los valores aproximados de la dureza alcanzable después del revenido figuran en el diagrama de revenido. En ciertos casos puede resultar conveniente reducirla temperatura de revenido y prolongar el tiempo de permanencia. Para ciertas aplicaciones (p.ej. al exigir una mayor resistencia al revenido) se recomienda un tratamiento térmico especial que se describirá a continuación llamado “Nitruración”. 136 Diagrama revenido Como ya se ha descrito anteriormente en el revenido al aumentar la temperatura del proceso diminuye la dureza del acero.En nuestro caso la temperatura del proceso puede llegar a unos 600ºC del revenido. La temperatura del revenido depende también de la temperatura del templado. 143 Diagrama de resistencia en caliente Como se puede comprobar en la grafica, cuando un acero de herramientas trabaja a una mayor temperatura la resistencia a la tracción y el límite elástico se reducen. Por eso para aceros de herramientas que trabajan en caliente es de cierta importancia la influencia de las temperaturas en sus propiedades. También es importante la dilatación térmica y su conductividad ya que estará expuesto a altas temperaturas 144 145 6.3. Aceros rápidos 6.3.1. HS6-5-2C Propiedades Acero rápido aleado al tungsteno y molibdeno de gran tenacidad y buenas propiedades de corte, para aplicación universal. Aplicación Brocas espira les, machos de roscar, herramientas para brochar y es cariar, sierras para metales, fresas de toda clase, herramientas para trabajar madera, herramientas para trabajar en frío. JIS: Norma Japonesa AFNOR : Norma Francesa GOST : Norma Rusa BS : Norma de Reino Unido UNI : Norma Italiana SIS : Norma Sueca 146 Conformación en caliente -Forjado: 1100 a 900°C. Enfriamiento lento en el horno o en material termoaislante. Tratamiento térmico -Recocido blando: 770- 840°C Enfriamiento lento y controlado en el horno 10-20°C, enfriamiento posterior al aire. Dureza después del recocido blando: máx. 280 Bri nell. -Recocido de eliminación de tensiones: 600 - 650°C Enfriamiento lento en el horno. Para disminuir la tensión después de un extenso arranque de virutas o en caso de herramientas de configuración complicada. Tiempo de permanencia después del calentamiento a fondo: 1 - 2 horas en atmósfera neutra. -Temple: 1190 - 1230°C Aceite, baño de sal (500 - 550°C), aire comprimido seco, vacío. Margen superior de temperatura para herramientas de configuración sencilla, margen inferior de la temperatura para herramientas de configuración complicada. Por razones de tenacidad, en herramientas para trabajar en frío, también tienen importancia temperaturas más bajas de temple. Tiempo de mantenimiento mínimo después de precalentamiento en varias etapas y calentamiento completo en baño de sales: 80 segundos hasta conseguir una disolución suficiente de los carburos, pero como máximo 150 segundos para evitar deterioros del material debido a tiempos excesivos. En la práctica, se trabaja con el tiempo de permanencia en el baño de sales (antes tiempo de inmersión) = tiempo de calentamiento + tiempo de mantenimiento hasta alcanzar la temperatura de temple (véa se dia gra ma de tiem po de per ma nencia). También es posible realizar el temple al va cío. El tiempo de permanencia está en función del tamaño de la pieza y los parámetros del horno. 147 Diagrama de tiempo de permanencia (baño de sales) Esta grafica viene a definir que dependiendo de la sección a templar dependerá el tiempo de permanencia. En resumidas cuentas que a mayor sección a templar mayor sera el tiempo de permanencia de la pieza. 148 -Revenido Calentamiento lento hasta la temperatura de revenido inmediatamente después del temple/tiempo de permanencia en el horno: 1 hora por cada 20 mm de espesor de la pieza, pero 2 horas como mínimo / enfriamiento al aire (tiempo de mantenimiento mínimo: 1 hora). Primer revenido y segundo revenido hasta alcanzar la dureza útil de sea da. En el diagrama de revenido figuran los valores aproximados de la dureza alcanzable después del revenido. Tercer revenido para la distensión 30-50°C por debajo de la temperatura máxima de revenido. Dureza alcanzable después del revenido: 64-66 HRC. Diagrama del revenido 149 Tratamiento térmico Como se puede comprobar en el proceso de tratamiento térmico podemos encontrar distintas fases. -La primera fase es un recocido de dispersión, para eliminar tensiones. - La segunda fase es el temple, en el que para alcanzar los 1000ºC del temple se hace de forma escalonada para luego enfriar mediante aire, baño de sal o aceite -Por ultimo encontramos tres fases del revenido, estos requieren un revenido más complejo y a mayor temperatura ya que los aceros rápidos requieren propiedades muy especiales. 150 151 7. FABRICACIÓN DE ACEROS DE HERRAMIENTAS En este apartado veremos sobre la fabricación de los aceros de herramientas mediante procesos convencional (moldeo) y la pulvimetalurgia en polvos . 7.1. Proceso convencional El acero especial es una aleación de hierro y carbono con adiciones de otros elementos. El acero y su proceso de producción se ha conocido durante miles de años pero fue hace solo un siglo que los metalúrgicos comenzaron a estudiar sistemáticamente la influencia de los elementos de aleación en las propiedades del acero. El proceso convencional de producción del acero rápido y del acero grado herramienta comienza en el horno de fundición, un enorme crisol rodeado de ladrillos refractarios, en donde la chatarra de hierro se funde a temperaturas superiores a 1.500ºC mediante arco eléctrico. En este estado el hierro reacciona con elementos de aleación tales como carbono, cromo, níquel, tungsteno, vanadio, etc formándose los carburos que son compuestos de carbono y otros elementos de aleación. Los carburos son los responsables de 152 dar al acero los niveles de dureza y resistencia al desgaste requeridos. La colada se solidifica en grandes bloques y puede ser conducida a procesos de refinación adicionales o llevada directamente a los equipos de forja y laminación para obtener barras (redondas, cuadradas, hexagonales, etc) o láminas de acero según las necesidades de los mercados. 7.1.1 Fases del proceso convencional En el proceso convencional para la fabricación de aceros de herramientas nos encontramos las siguientes fases: 1) Fusión 2) Metalurgia secundaria 3) Fundición 4) Conformación: moldeo o forja 5) Tratamientos térmicos 7.1.2 Fusión En esta fase se pasa el acero de estado solido a estado líquido mediante una aportación de calor, aproximadamente a unos 1500 º C y normalmente con un arco eléctrico. 7.1.3. Metalurgia secundaria La metalurgia secundaria tiene como misión modificar la composición del acero para conseguir unas determinadas propiedades. La metalurgia secundaria se lleva a cabo en equipos diversos, tales como cucharas, convertidores u hornos especiales. Según el objeto que tratan de conseguir se clasifican en tres grandes categorías: 1.) Tratamiento de desgasificación: El acero contiene elementos perjudiciales que deben eliminarse. Entre éstos están los gases disueltos durante el proceso de fabricación; Hidrógeno; Oxígeno; Nitrógeno. Para reducir el tamaño al máximo del contenido de estos gases, en especial el Hidrógeno, se somete al acero líquido al vacío, según distintos procesos, que pueden agruparse en tres técnicas principales: 1.1.) Desgasificación del chorro de colada: Consiste en situar el recipiente receptor del acero líquido (cuchara o lingotera) en una cámara de vacío, sobre la que se ajusta la cuchara que contiene el acero líquido. El chorro de acero, por efecto del vacío, se fracciona en gotas que favorecen las eliminación de los gases.