Aceros de Herramientas 2022-23 PDF

6. ACEROS DE HERRAMIENTAS TEMA 6. ACEROS DE HERRAMIENTAS 6.1. Introducción. 6.2. Aceros de herramientas para trabajos en frío I: aceros al carbono. 6.3. Aceros de herramientas para trabajos en frío II: aceros aleados. 6.4. Aceros de herramientas para trabajos en caliente. 6.5. Ace...

6. ACEROS DE HERRAMIENTAS TEMA 6. ACEROS DE HERRAMIENTAS 6.1. Introducción. 6.2. Aceros de herramientas para trabajos en frío I: aceros al carbono. 6.3. Aceros de herramientas para trabajos en frío II: aceros aleados. 6.4. Aceros de herramientas para trabajos en caliente. 6.5. Aceros rápidos. 6-1 6.1. INTRODUCCIÓN 6.1. Introducción. 6-2  6.1. INTRODUCCIÓN  Herramienta: Instrumento destinado al conformado de materiales (variar su forma, tamaño y/o dimensiones). Esta operación puede realizarse:  Por arranque de viruta: torneado, fresado, rectificado, taladrado…  Por deformación plástica en frío o en caliente: laminación, forja, extrusión, estirado, trefilado, estampación, embutición…  Aceros de herramienta.  Son los aceros que se utilizan en la fabricación de útiles destinados a conformar otros materiales (fresas, tornos, matrices de extrusión o de estampación, etc.)  También se incluyen en este grupo los aceros destinados a la fabricación de moldes permanentes empleados en el moldeo de aleaciones metálicas y de plásticos.  Igualmente, se incluyen los aceros utilizados para la fabricación de todo tipo de herramientas mecánicas (martillos, sierras, brocas, tenazas, etc.), y aquellos útiles que sirven para verificación de medidas (calibres, llaves, etc.). 6-3  6.1. INTRODUCCIÓN  Las solicitaciones a las que puede estar sometida una herramienta pueden ser muy variadas, y también pueden variar mucho las condiciones de servicio.  La herramienta puede estar sometida a cargas muy elevadas.  Las cargas pueden ser aplicadas rápidamente.  Deben poder soportar esas cargas un elevado número de veces sin sufrir desgaste o rotura.  En muchas aplicaciones, los aceros deben soportar esas condiciones de trabajo a alta temperatura.  Conclusión ningún acero puede cumplir con éxito todo tipo de funciones existen multitud de aceros de herramientas diferentes, e incluso con aplicaciones diferentes según el tratamiento que se le haya dado a un mismo acero. 6-4  6.1. INTRODUCCIÓN  Propiedades más importantes. a. Alto límite elástico y dureza muy elevada, siempre muy superior a la del material que están conformando (para no deformarse durante el trabajo) y, en ocasiones, cuando trabajan a alta temperatura, dureza en caliente por ello suelen ser aceros templados y revenidos de alto contenido en carbono, de media o alta aleación (para tener templabilidad y dureza secundaria). El objetivo es retener el mayor tiempo posible el filo de la herramienta, el acabado de la misma. b. Resistencia al desgaste (para que no se arranquen partículas de la herramienta por el roce con otra superficie), incluso a alta temperatura. c. Alta tenacidad, sobre todo en herramientas que trabajen a impacto debe mantenerse una buena plasticidad (y diseñar las herramientas evitando concentración de tensiones). Deben ser aceros de grano fino (el grano muy grueso baja tanto la dureza como la plasticidad). d. Elevado límite de fatiga. En el caso de herramientas sometidas a cargas variables, para poder garantizar una larga vida de la herramienta. 6-5  6.1. INTRODUCCIÓN e. Estabilidad a altas temperaturas. Capacidad de mantener sus propiedades a temperatura elevada si se producen calentamientos de la herramienta. f. Resistencia al choque térmico. Es frecuente durante el trabajo de la herramienta, que ésta se caliente y sea refrigerada por medio de chorros de aire o agua unido a la baja conductividad de los aceros de herramientas (tanto menor a mayor contenido en aleantes) pueden producirse tensiones internas que provoquen deformaciones o incluso roturas prematuras. g. Alta templabilidad. Dado que los aceros de herramientas se emplean siempre en estado de temple y revenido, para poder obtener estructuras martensíticas en piezas gruesas y con enfriamientos poco severos (aceite o aire) se precisarán aceros muy aleados. h. Buena maquinabilidad, sobre todo si la herramienta tiene un diseño complejo, para no elevar el coste de la herramienta. Se utilizan aleantes como azufre o teluro (los aceros de herramientas nunca llevan plomo). i. Aptitud para el corte (en herramientas que trabajen por arranque de viruta). Se mide por el tiempo transcurrido entre dos operaciones de corte sucesivas. 6-6  6.1. INTRODUCCIÓN  Clasificación de los aceros de herramienta.  Aceros al carbono. Sin elementos aleantes. Para uso a temperatura ambiente.  Aceros para trabajos en frío. La herramienta trabaja a temperatura ambiente (martillos, navajas, brocas, etc.). Deben poseer una dureza y resistencia al desgaste muy altas y, si trabajan a base de golpes, una tenacidad suficiente.  Aceros para trabajos en caliente. Se emplean en herramientas que, durante su servicio normal, se calentarán hasta temperaturas bastante elevadas (martillos de forja, estampas, matrices de fundición, etc.). No es necesario que tengan una dureza tan alta como los de trabajo en frío ya que, al trabajar sobre materiales calientes, éstos últimos serán más blandos. Deben mantener una adecuada dureza en caliente y, si van a ser sometidos a cambios bruscos de temperatura, buena resistencia al choque térmico.  Aceros rápidos. Para la fabricación de útiles de corte o mecanizado por arranque de viruta, que garanticen una productividad muy alta (arranque de viruta a gran velocidad). El filo de la herramienta se calienta localmente por rozamiento hasta unos 600ºC los aceros rápidos deben estar muy aleados para que aprovechan el fenómeno de dureza secundaria y lograr una dureza muy alta en las condiciones de trabajo (sin ablandarse en el revenido). 6-7  6.1. INTRODUCCIÓN Clasificación AISI de los aceros de herramientas. 6-8  6.2. ACEROS DE HERRAMIENTAS AL CARBONO 6.2. Aceros de herramientas para trabajos en frío I: aceros al carbono. 6-9  6.2. ACEROS DE HERRAMIENTAS AL CARBONO a. Composición.  Grupo muy amplio de aceros para trabajo en frío con contenidos en carbono entre 0,5-1,5 %C. Pueden llevar, además del Mn y Si habitual, pequeñas cantidades de Cr y V, pero no hay elementos de aleación. Hay tres calidades.  Calidad extrafina. Se parte de materiales primas de gran pureza. Llevan menos del 0,30% de Mn y Si, el S y P deben estar limitados al 0,020% y los elementos residuales (Cr, Cu, Ni, Mo) deben ser inferiores a 0,20% cada uno, y su suma menor del 0,40%. Serán aceros de grano fino y poca penetración de temple, con cierta tenacidad.  Calidad fina. Se parte de materiales primas de gran pureza. Llevan hasta 0,40% de Mn y Si, el S y P deben estar limitados al 0,025% y los elementos residuales (Cr, Cu, Ni, Mo) deben ser inferiores a 0,20% cada uno, y su suma puede llegar a 0,60%. La penetración de temple será algo mayor y son más sensibles al crecimiento de grano.  Calidad normal. Son los aceros de uso general. El S y P pueden llegar al 0,035% y la suma de los elementos residuales (Cr, Cu, Ni, Mo) puede llegar a 0,70%. Tienen mayor penetración en el temple y grano más grueso son menos tenaces. 6-10  6.2. ACEROS DE HERRAMIENTAS AL CARBONO b. Propiedades de los aceros de herramientas al carbono.  Las dos características a tener en cuenta son el tamaño de grano y la penetración del temple (espesor, desde la superficie, que el acero es capaz de templar). En general, tienen poca resistencia al desgaste.  La templabilidad es muy baja (la velocidad crítica de temple es muy elevada).  Tienen baja penetración de temple: las capas duras no superan los 5 mm (en perfiles de 20 a 50 mm de espesor). Se puede combinar un exterior de alta dureza (60-65 HRC) con un núcleo más tenaz (30-45 HRC). Puede añadirse una pequeña cantidad de Cr, que aumenta la templabilidad del acero.  No debe haber crecimiento de grano (baja la dureza y puede bajar la plasticidad) se añaden pequeñas cantidades de V (forma carburos insolubles a la temperatura de austenización, impidiendo el crecimiento de grano).  Tienen un coste más bajo que el resto de aceros de herramientas,  Pueden alcanzar una gran dureza (sobre todo los hipereutectoides), pero serán bastante frágiles en comparación con otros aceros para herramientas. Todos los aceros para herramientas de grado W deben templarse en agua, lo que puede provocar una mayor deformación y agrietamiento. 6-11  6.2. ACEROS DE HERRAMIENTAS AL CARBONO c. Tratamientos térmicos.  Recocido. Calentamiento a 750-800ºC (1-6 horas) + enfriamiento lento (inferior a 20 ºC/hora) se obtienen estructuras globulares, de muy baja dureza y buena aptitud para el mecanizado.  Enfriamientos más rápidos darán lugar a estructuras perlíticas, de mayor dureza.  En aceros hipereutectoides, puede formarse cementita reticular, que permanecerá en el temple y hará el acero frágil. No deben superarse los 750 ºC, y las permanencias en calentamiento deben ser largas.  Temple. Se hace siempre al agua, y solo se templará la superficie (quedando tensiones de compresión en la superficie de la pieza, lo que es bueno ante cargas variables).  Revenido. Como no llevan aleantes, se ablandan muy rápido al subir la temperatura de revenido se utilizarán en estado de temple y revenido de 1 hora a 200-250 ºC (para relajar tensiones residuales del temple y ganar algo de tenacidad, con una pérdida de solo dos unidades de dureza respecto al temple). Excepcionalmente pueden darse revenidos hasta 350 ºC 6-12  6.2. ACEROS DE HERRAMIENTAS AL CARBONO d. Aplicaciones.  Dado que se ablandan al aumentar la temperatura de trabajo, están prohibidos en usos en los que haya riesgo de calentamiento en servicio.  Tampoco deberán usarse en piezas que precisen de un rectificado posterior al tratamiento, ya que la penetración en el temple es muy pequeña y hay riesgo de eliminar al pequeña zona superficial endurecida en el temple.  Por su baja templabilidad, solo permiten fabricar piezas de pequeño espesor y con enfriamientos bruscos en agua riesgo de distorsiones o agrietamiento.  En general, son los aceros de menores prestaciones dentro de la familia de aceros para trabajos en frío.  Los aceros de menor proporción de carbono (0,50-0,70 %C) se usan para fabricar herramientas que exijan una cierta tenacidad (alicates, tenazas, destornilladores, martillos; cinceles, tijeras, hachas; navajas, cuchillas, matrices de estampación, herramientas agrícolas, etc.). 6-13  6.2. ACEROS DE HERRAMIENTAS AL CARBONO  Los aceros de contenido en carbono más alto (0,90-1,30 %C), más duros y resistentes al desgaste, se emplean para fabricar las herramientas de mayor dureza (troqueles, matrices de embutición, herramientas para doblado en frío y acuñado, navajas, limas, brocas, fresas, herramientas de torneado, etc.). Composiciones típicas - Aceros de herramientas al carbono 6-14  6.2. ACEROS DE HERRAMIENTAS AL CARBONO TEMPERATURA TIPO HERRAMIENTA REVENIDO ºC Muelles, resortes y flejes 350-500ºC Sierras para madera o metal, Destornilladores, Cortafríos 290-310ºC Tijeras metal, Cuchillas cepillar madera, Agujas, Formones. 280-290ºC Hachas, Azuelas 270-280ºC Herramienta agrícola, Herramienta labrar piedra, Cuchillas de 260-270ºC cepillar madera Gubias, Cuchillas maderas duras, Punzones, 250-260ºC Buterolas, Cinceles y picos de piedra Tijeras, Barrenas para rocas, Brocas Cuchillos grande, Herramientas de corte en general de grandes 240-250ºC dimensiones que requieran flexibilidad y resistencia al choque. Cuchillas cortar papel, Bocas de martillo 230-240ºC Cuños de estampación, Herramientas para grabar o tallar acero, Cuchillos que requieran algo de flexibilidad adicional y 220-230ºC buena retención del filo. Cuchillos duros en general con poca flexibilidad y alta retención 175-220ºC del filo. 6-15  6.2. ACEROS DE HERRAMIENTAS AL CARBONO Serie F‐500 Aceros para herramientas Grupo F-510 Aceros al carbono para herramientas F-511 Acero al carbono para herramientas Herramientas agrícolas F-512 Acero al carbono para herramientas Cinceles, tijeras, hachas, martillos Cuchillos, herramientas madera, F-513 Acero al carbono para herramientas navajas Matrices, punzones, herramientas F-514 Acero al carbono para herramientas de choque Machos de roscar, brocas finas, F-515 Acero al carbono para herramientas troqueles, sierras F-516 Acero al carbono para herramientas Brocas, fresas y terrajas F-517 Acero al carbono para herramientas Limas, herramientas torno, piezas 6-16 6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO 6.3. Aceros de herramientas para trabajos en frío II: aceros aleados. 6-17  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO  Son aceros que se emplean para fabricar herramientas cuyo trabajo se realiza a temperaturas próximas a la ambiente.  Las propiedades fundamentales que se buscan son dureza y resistencia al desgaste son aceros con un elevado contenido en carbono (0,7- 1,5% C).  Los aceros más importantes de este grupo son aceros aleados, que incorporan Cr, Mo, W y V. Pueden agruparse en tres familias diferentes:  Aceros indeformables.  Aceros resistentes al choque (elevada ductilidad).  Aceros resistentes al desgaste.  Además, la presencia de elementos de aleación en los aceros de herramienta limita el crecimiento del grano de austenita durante la austenización previa al temple. En los aceros de construcción es la presencia de AIN la que limita este crecimiento; en los aceros de herramienta los carburos actúan de manera idéntica. A mayor contenido en elementos de aleación carburígenos mayor será la fracción volumétrica de carburos y más importante será este efecto. 6-18  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO a. Aceros indeformables.  Son aceros de muy alto contenido en carbono y cromo, que incorporan manganeso (para mejorar la templabilidad), a los que también se añade, en proporciones menores, otros formadores de carburos: W, Mo y V.  Una composición típica incluiría 0,90%C y 2%Mn.  Al ser aceros bastante aleados, su templabilidad es alta: admiten temple en aceite o incluso al aire bajo riesgo de deformación en el tratamiento térmico (importante en piezas de forma compleja y grandes dimensiones).  La temperatura de austenización es muy baja (775-780 ºC). En piezas de gran tamaño (hasta 80 mm) hay que subir la temperatura de calentamiento (800 ºC).  Para disminuir la sensibilidad al crecimiento de grano durante el temple, se añade vanadio (0,30-0,50 %V), que formará carburos insolubles de vanadio..  Estos aceros apenas sufren deformación en el temple y revenido son muy apropiados para la ejecución de matrices y troqueles con formas complejas.  Son aceros que ablandan mucho en el revenido se dan tratamientos a 200 ºC, que mantienen una dureza de 60 HRC. 6-19  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO  En los aceros indeformables, parte del Mn puede ser sustituido por Cr (0,3- 0,7%), que forma carburos que dificultan el crecimiento de grano y suben la resistencia al desgaste.  Pueden someterse a recocidos: recocido total (775 ºC), de ablandamiento (700 ºC), los dos con enfriamiento muy lento. También pueden ser sometidos a tratamientos isotérmicos. En todos ellos han de evitarse las descarburaciones, y la estructura obtenida será globular (más fácil de mecanizar).  Son sensibles (como los aceros al carbono) al crecimiento de grano durante el calentamiento en el temple. Para evitarlo, se añade vanadio, que forma carburos insolubles y evitan el excesivo crecimiento.  Se utilizan en la fabricación de piezas de geometría complicada que precisen alta estabilidad estructura: calibres, punzones, galgas, matrices de corte… 6-20  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO b. Aceros resistentes al choque.  Son aceros de baja fragilidad, gracias a bajos contenidos en carbono, entre 0,40-0,65 %C (sacrificando dureza, que será siempre inferior a 60 HRC).  Se utilizan en la confección de herramientas para minería, perforación de rocas y otras acciones que generen choques repetidos durante su servicio normal.  Se añaden aleantes para mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste. Según el elemento de aleación predominante, se distinguen cuatro tipos.  b.1. Aceros al silicio.  Son forjados entre 1100 y 850 ºC. El temple se realiza en torno a 900 ºC, con enfriamiento en agua (el silicio no actúa sobre la templabilidad), con durezas del orden de 55-60 HRC. Se dan revenidos a 200 ºC. Pueden llevar Mn para mejorar la templabilidad, y V para evitar el posible crecimiento de grano.  Al templar en agua hay riesgo de deformación se alean con Cr (1,7%) y Mn (0,2%), que también suben la dureza en caliente y las T de revenido.  El silicio sube el límite elástico. Se usan en buriles, hojas de cizallas… 6-21  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO  b.2. Aceros al cromo.  Contienen en torno al 1% de Cr, y pueden incluir algo de Mo y V. Se corresponden con los aceros de construcción de alta resistencia y alto carbono (mayor de 0,4 %C).  Pueden templarse en aceite. Tienen menor riesgo de descarburación que los aceros al silicio. Deben ser recocidos a unos 800 ºC antes de la mecanización.  Se usan en el trabajo de la madera y en estampas de relojería y joyería.  b.3. Aceros al wolframio.  El W forma carburos y sube muchísimo la resistencia al desgaste así como la dureza en caliente. Para trabajo en frío, incorporan menos de un 2% de W.  En el temple, requieren temperaturas de austenización más altas (para disolver todos los carburos). Al tener la curva perlítica muy retrasada, en estos aceros pueden obtenerse estructuras totalmente bainíticas (más tenaces que la martensita). Los revenidos se dan entre 500-600 ºC, obteniendo dureza secundaria.  Se utilizan para trabajo en frío, cuando hay riesgo elevado de calentamiento. 6-22  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO  b.4. Aceros al níquel.  Están en el límite entre los aceros para trabajos en frío y en caliente.  Llevan un 1,5-4,0 %Ni, con adiciones de Cr, Mo y V.  Tienen una buena templabilidad y una excelente tenacidad, que los hace idóneos para aplicaciones y trabajos de choque.  El níquel baja la temperatura de austenización (800-850 ºC), lo cual es bueno para reducir procesos de daño superficial. Son aceros de temple en aceite. También pueden obtenerse estructuras bainíticas en el enfriamiento, lo que incrementa la tenacidad. Se dan revenidos bajos (200 ºC) o por encima de 500 ºC.  Se usan en matrices de estirado en frío o en caliente, y para hojas de cizallas, tanto en frío como en caliente. 6-23 6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO Composiciones típicas - Aceros de herramientas resistentes al choque 6-24  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO c. Aceros resistentes al desgaste.  La resistencia al desgaste es una propiedad tecnológica difícil de definir, al haber diferentes tipos de desgaste. En cualquier caso, está muy relacionada con la dureza a mayor dureza, en general, mayor resistencia al desgaste.  Una microestructura adecuada para tener resistencia al desgaste consiste en una matriz dura, reforzada con un segundo microconstituyente mucho más duro, disperso uniformemente. Los aceros de herramienta utilizan la gran dureza de los carburos para conseguir este efecto.  Cuanto mayor sea la aleación con elementos formadores de carburos (básicamente cromo y wolframio) y mayor sea el contenido de carbono del acero (1,0-1,5 %C), se incrementará la fracción de carburos y con ella su dureza.  Pueden incorporar V (formador de carburos, aumenta la dureza en el revenido).  A la temperatura de austenización, los carburos de wolframio permanecen, y los de cromo se disuelven, aumentando la templabilidad del acero se realiza temple en aceite.  Se distinguen dos grupos: aceros a base de cromo o a base de wolframio. 6-25  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO c.1. Aceros resistentes al desgaste a base de cromo.  El más empleado responde a la siguiente composición: 1 %C, 0,3 %Mn, 0,3 %Si, 1,5 %Cr  Mediante temple y revenido a 200ºC se busca una microestructura final de martensita con carburos dispersos, que sube aún más la dureza.  Cuando se precisa gran estabilidad dimensional, debe hacerse el revenido a 250ºC, para producir la transformación total de la austenita retenida.  Hay variantes con más carbono (mayor dureza y menos templabilidad), con vanadio (afina el grano y produce una distribución más fina de carburos), con molibdeno (para mejorar la templabilidad).  Aplicaciones: bolas, cajas de rodamientos, cilindros para laminación en frío, y todo tipo de piezas mecánicas que trabajen en frío por presión y rozamiento y requieran gran resistencia al desgaste. 6-26  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO c.2. Aceros resistentes al desgaste a base de wolframio.  El wolframio tiene mayor afinidad por el carbono que el cromo. Forma carburos muy duros y estables, difíciles de disolver en la austenización (esto bajaría la templabilidad). El más empleado tiene la siguiente composición: 1,20 %C, 0,3 %Mn, 1,3 %W  Mediante temple en agua desde 850 ºC y revenido a menos de 200ºC se obtienen durezas de 67 HRC y 65 HRC respectivamente.  Pueden incorporar un 0,2 %V, lo que mejora la resistencia al desgaste.  Aplicaciones: barrenas, escariadoras, terrajas, hileras... Han sido sustituidos por los aceros rápidos en muchas aplicaciones. 6-27  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO d. Acero Hadfield. ( Descubridor, Robert Hadfield, 1882).  Acero de herramientas para trabajos en frío con una gran resistencia al desgaste.  Composición típica: 1,2 %C y 12-13 % de manganeso (elemento gammágeno que en los contenidos habituales del acero Hadfield desplaza la temperatura eutectoide del acero hasta 600ºC, y el contenido en carbono en tomo a 0,4%, estando Ms por debajo de temperatura ambiente).  Su microestructura es austenítica combina una alta tenacidad con una gran capacidad de endurecimiento por deformación que, a su vez, se traduce en una gran respuesta ante acciones de desgaste.  Tiene límite elástico relativamente bajo (350-400 MPa), elevada resistencia a la tracción (sobre 850 MPa) y un gran alargamiento (mayor del 40%).  Su capacidad de endurecimiento por deformación en frío permite pasar de una dureza inferior a 20 HRC (tras temple) a durezas superiores a 40 HRC, debido en parte a la transformación parcial de la austenita deformada plásticamente en martensita. 6-28  6.3. ACEROS DE HERRAMIENTAS ALEADOS PARA TRABAJOS EN FRÍO  Aplicaciones del acero Hadfield:  Fabricación de herramientas utilizadas en el movimiento de tierras y la manipulación de rocas minerales (quebrantadoras, placas de revestimiento de molinos, palas, dientes, etc.);  Elaboración de cruzamientos de vía, especialmente cuando durante el servicio estos elementos se ven sometidos a fuertes impactos. 6-29 6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE 6.4. Aceros de herramientas para trabajos en caliente. 6-30  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE  Los aceros para trabajos en caliente están diseñados para trabajar en condiciones de temperatura elevada (aquellas que superan los 315 ºC), bien por estar en contacto con piezas a alta temperatura (como matrices de extrusión), o por rozamiento con el metal a conformar.  Necesitan una composición adaptada a sus necesidades:  Son aceros con un contenido en carbono relativamente bajo para maximizar su tenacidad (pues al trabajar sobre materiales calientes, y por lo tanto blandos, no necesitan una dureza tan alta como los aceros para trabajos en frío).  Con adiciones de elementos aleantes que mejoren sus propiedades y eviten el rápido descenso de dureza y resistencia que tiene lugar en el calentamiento de los aceros. La estabilidad y dureza de los carburos metálicos los convierte en los aleantes más eficaces.  Deben soportar las solicitaciones en caliente sin deformación ni rotura la dureza nunca debe ser inferior a 35 HRC.  Deben ser fácilmente mecanizables y conservar la forma de la herramienta inalterable durante los tratamientos térmicos. 6-31  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE  La norma española divide los aceros de esta familia en tres grupos: aceros resistentes a los choques mecánicos, aceros resistentes a los choques térmicos y aceros resistentes al desgaste a temperatura elevada. i. Aceros resistentes a los choques mecánicos:  La ductilidad es la característica dominante.  Son aceros de baja aleación (porcentaje de aleantes -Cr, Ni, Mo,V- inferior al 5%).  Son aceros al Cr-Mo o al Cr-Ni-Mo.  Son los aceros más baratos y menos resistentes térmicamente pero también los más tenaces de la familia, ya que al estar menos aleados también tienen fracciones menores de carburos frágiles.  Se suelen utilizar en aquellos trabajos en los que la temperatura de la herramienta no sobrepasa los 400 ºC.  Se usan en matrices de estampado en caliente, estirado de aleaciones ligeras (aleaciones de aluminio), moldes a presión para metales con bajo punto de fusión (Zn y Al),… 6-32  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE ii. Aceros resistentes al choque térmico:  Al tener que resistir bruscos cambios de temperatura tienen su composición química ajustada para minimizar los cambios volumétricos asociados a los mismos y minimizar así los riesgos de agrietamiento en servicio.  Su bajo contenido en carbono (0,3-0,4 %C) garantiza una tenacidad suficiente para que no se produzca su rotura ante solicitaciones térmicas importantes.  El más típico lleva 5 %Cr, 1,25 %Mo y 0,5 %V. Su temperatura crítica es elevada se pueden dar revenidos de hasta 800 ºC pueden utilizarse hasta unos 750 ºC.  Pueden poseer DBTT por encima de temperatura ambiente las herramientas deben ser calentadas a T > 250 ºC antes de su utilización.  Son aceros muy empleados en la fabricación de martillos para forja, matrices de estampación para grandes series, cizallas para corte en caliente, etc. 6-33  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE iii. Aceros resistentes al desgaste a temperatura elevada.  El principal aleante es el wolframio (en torno al 9%), con adiciones de Cr para mejorar la templabilidad y vanadio para mejorar la resistencia al calentamiento y al desgaste.  Destaca la alta temperatura de austenización previa al temple de este acero, cercana a 1200 ºC, su alta templabilidad (aceite o aire) y una alta temperatura Ms (y consecuentemente baja proporción de austenita retenida en el temple), en virtud del bajo contenido en carbono del acero.  Endurece en revenidos hasta 650 ºC tiene gran dureza en caliente puede usarse a T > 600 ºC. También puede usarse a menores temperaturas, con mayor resistencia.  En herramientas de gran tamaño, la estructura de temple serán martensita y bainitas. Para evitar deformaciones durante el temple, se harán temples interrumpidos en baño de sales hasta 500 ºC, y enfriamiento al aire.  Se usan en matrices de estampación y útiles de extrusión, o en coquillas para moldeo a presión de aleaciones de cobre. 6-34 6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE Designación española 6-35  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE  Por otro lado, según la Designación AISI, los aceros de herramientas para trabajo en caliente (serie H) se pueden dividir principalmente en tres familias, según el elemento de aleación presenten en mayor medida. i. Aceros de base Cromo (H10 - H19).  Tienen elevada templabilidad distorsiones bajas durante el temple al aire.  Tienen bajos contenidos en C y en elementos de aleación es posible enfriarlos en agua fría durante su servicio, sin que se produzca fractura.  Tiene bajos contenidos en C y en elementos aleantes favorece la tenacidad para durezas de trabajo entre 40 y 55HRC (400-600HV aproximadamente).  Presentan buena resistencia al ablandamiento en caliente gracias a sus contenidos medios en Cr, así como a la adición de pequeñas cantidades de elementos formadores de carburos como Mo, W y V.  El V aumenta la resistencia al desgaste erosivo a altas temperaturas.  Se añade Si para mejorar la resistencia a la oxidación a T > 800 ºC.  Principales aplicaciones: fabricación de matrices de extrusión, moldes de fundición inyectada, útiles de corte en caliente...  Los más usados son el H11 y el H13. 6-36  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE Designation Compositiona, % AISI UNS C Mn Si Cr Ni Mo W V Co Chromium hot-work steels 0.35- 0.25- 0.80- 3.00- 0.30 2.00- 0.25- H10 T20810 - - 0.45 0.70 1.20 3.75 max 3.00 0.75 0.33- 0.20- 0.80- 4.75- 0.30 1.10- 0.30- H11 T20811 - - 0.43 0.50 1.20 5.50 max 1.60 0.60 0.30- 0.20- 0.80- 4.75- 0.30 1.25- 1.00- 0.50 H12 T20812 - 0.40 0.50 1.20 5.50 max 1.75 1.70 max 0.32- 0.20- 0.80- 4.75- 0.30 1.10- 0.80- H13 T20813 - - 0.45 0.50 1.20 5.50 max 1.75 1.20 0.35- 0.20- 0.80- 4.75- 0.30 4.00- H14 T20814 - - - 0.45 0.50 1.20 5.50 max 5.25 0.32- 0.20- 0.20- 4.00- 0.30 0.30- 3.75- 1.75- 4.00- H19 T20819 0.45 0.50 0.50 4.75 max 0.55 4.50 2.20 4.50 0.03 max S, 0.03 max P and 0.25 max Cu 6-37  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE ii. Aceros de base Wolframio (Tungsteno) (H21 - H26).  Principales elementos de aleación: C, W, Cr y V. Contenidos en aleantes superiores al grupo anterior son más resistentes al ablandamiento a altas temperaturas y también al desgaste erosivo.  También serán más propensos a la fragilización a las durezas normales de trabajo (45 a 55 HRC) y dificulta la refrigeración con agua durante su servicio.  Requieren temperaturas de austenización mayores que los aceros al Cromo 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.  Son muy similares a los aceros rápidos al Wolframio.  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. 6-38  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE Designation Compositiona, % AISI UNS C Mn Si Cr Ni Mo W V Co Tungsten hot-work steels T2082 0.28- 0.15- 0.15- 3.00- 0.30 8.50- 0.30- H21 - - 1 0.36 0.40 0.50 3.75 max 10.00 0.60 T2082 0.30- 0.15- 0.15- 1.75- 0.30 10.00- 0.25- H22 - - 2 0.40 0.40 0.40 3.75 max 11.75 0.50 T2082 0.25- 0.15- 0.15- 11.00- 0.30 11.00- 0.75- H23 - - 3 0.35 0.40 0.60 12.75 max 12.75 1.25 T2082 0.42- 0.15- 0.15- 2.50- 0.30 14.00- 0.40- H24 - - 4 0.53 0.40 0.40 3.50 max 16.00 0.60 T2082 0.22- 0.15- 0.15- 3.75- 0.30 14.00- 0.40- H25 - - 5 0.32 0.40 0.40 4.50 max 16.00 0.60 T2082 0.45- 0.15- 0.15- 3.75- 0.30 17.25- 0.75- H26 - - 6 0.55b 0.40 0.40 4.50 max 19.00 1.25 Molybdenum hot-work steels T2084 0.55- 0.15- 3.75- 0.30 4.50- 5.50- 1.75- H42 - - 2 0.70 0.40 4.50 max 5.50 6.75 2.20 6-39  6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE iii. Aceros de base 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 con menores contenidos en C.  Tienen valores muy elevados de tenacidad y una excelente resistencia al choque térmico y al ablandamiento a alta temperatura.  Su ductilidad es bastante baja. Riesgo de descarburación en el tratamiento térmico control de la temperatura de austenización  Adecuados para templar en agua.  Características y usos casi idénticos a los aceros de base wolframio.  Los aceros de base molibdeno tendrán mucho menor coste inicial y mayor resistencia a la fatiga térmica.  Aplicaciones: fabricación de moldes de fundición a presión de aluminio, y otros procesos de trabajo en caliente, y con diferentes materiales de trabajo. 6-40 6.4. ACEROS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJOS EN CALIENTE 6-41 6.5. ACEROS RÁPIDOS 6.5. Aceros rápidos. 6-42  6.5. ACEROS RÁPIDOS a. Aspectos generales.  Uso de altas velocidades de corte durante la fabricación fuerte calentamiento local del filo de la herramienta (~600 ºC) a consecuencia de la fricción entre pieza y herramienta esas temperaturas reducen la dureza del acero disminuye el rendimiento de la operación.  El resto de aceros de herramientas no permiten elevadas velocidades de corte se ablandan al calentarse a T > 250 ºC y se acorta la vida de la herramienta.  Los aceros rápidos se utilizan en la fabricación de elementos de corte de tornos, fresas, etc. para garantizar un servicio eficiente bajo altas velocidades de corte sin que la herramienta se deteriore.  Se utilizarán aceros con elevada proporción de elementos aleantes formadores de carburos que, aprovechando el fenómeno de dureza secundaria producido mediante tratamientos de revenido a alta temperatura, mantengan íntegras sus propiedades mecánicas hasta ese intervalo de temperaturas.  Se distinguen tres familias de aceros rápidos: aceros rápidos al wolframio, al molibdeno y al molibdeno-cobalto. 6-43  6.5. ACEROS RÁPIDOS  Evolución de la dureza durante el revenido de diferentes grados de aceros de herramientas.  Clase 1: acero al carbono o de baja aleación progresivo ablandamiento durante el revenido.  Clase 2: acero para trabajos en frío de media o alta aleación; el mayor contenido en aleantes retrasa el ablandamiento del acero a temperaturas más altas.  Clase 3: acero rápido (con alto carbono y muy aleado). Se aprecia el fenómeno de dureza secundaria que consigue no solo retrasar el ablandamiento sino que, tras un revenido a alta T, se obtiene una dureza similar a la de temple.  Clase 4: aceros aleados para trabajos en caliente. También tienen endurecimiento secundario en el revenido, pero dado su inferior %C, su dureza es inferior a la de los aceros rápidos a cualquier T. 6-44  6.5. ACEROS RÁPIDOS b. Propiedades clave de los aceros rápidos.  Dureza en caliente, necesaria para su empleo con altas velocidades de corte que provoquen calentamiento por rozamiento con la herramienta (por ejemplo en desbaste, con altas profundidades de corte).  Debe mantenerse la dureza hasta los 550-600 ºC.  Se admite que la dureza en caliente es proporcional a la dureza en frío se darán tratamientos buscando maximizar la dureza.  Resistencia al desgaste, clave en operaciones de acabado a alta velocidad (con baja profundidad de corte).  Interesa que la matriz sea martensítica, con una alta cantidad de carburos de vanadio (los más resistentes al desgaste).  Resistencia al choque (en trabajos de corte interrumpido o alternativo). Deberá mantenerse una cierta tenacidad. 6-45  6.5. ACEROS RÁPIDOS c. Composición y microestructura de de los aceros rápidos.  Los aceros rápidos al wolframio son los clásicos (mantienen durezas de 52 HRC a 540 ºC y 48 HRC a 595 ºC). Llevan 0,6-1 %C; 12-y 20 %W; 1- 5 %V y 3-4,5 %Cr.  Los aceros rápidos al molibdeno surgen al sustituir dos partes de W por una de Mo sin variación en las propiedades del acero. El 95% de los aceros rápidos se realizan con molibdeno (se templan en aceite, resisten los cambios dimensionales y son más económicos). Llevan en torno a un 8% de Mo, 4% de Cr y un 1% de V. Las temperaturas de temple y revenido son inferiores a las de los aceros al W.  Los aceros rápidos al cobalto, que son los de mejor rendimiento, contienen 14-20 %W y cantidades importantes de Co (3-12%). El Co no forma carburos sino que aparece en solución sólida en la austenita y en la martensita, mejorando la dureza y la resistencia en caliente del acero y permite el temple a T más elevadas.  Por tanto, la composición de los aceros rápidos puede variar en unos límites amplios: 0,8-1,8 %C, 0,0-8,0% Mo, 1,0-18 %W, 1-5 %V, 0,0-10 %Co. 6-46  6.5. ACEROS RÁPIDOS  Son aleaciones complejas no es posible trabajar con diagramas de equilibrio bidimensionales es habitual es trabajar con diagramas ternarios (Fe-W-C) o cuaternarios, como el diagrama Fe-W-Cr-C. (ejemplo 18 %W y 4 %Cr).  Debido al tipo de diagrama, la microestructura al solidificar constará de ferrita + carburos, austenita + carburos, o una mezcla de todos ellos.  Esa microestructura presenta muy alta segregación no es posible eliminarla mediante recocidos de homogeneización se consigue mediante forja en caliente con grandes deformaciones.  Los carburos primarios formados tienen estructura FCC compleja y pueden ser del tipo M6C (ricos en W o Mo), MC (ricos en V) o M23C6 (ricos en Cr). 6-47  6.5. ACEROS RÁPIDOS d. Tratamientos térmicos de de los aceros rápidos.  El temple se realiza a temperaturas próximas a las de fusión, con temperaturas de austenización entre 1200 y 1300ºC, muy superior a las que corresponden a los demás aceros (aunque ya se tendría austenita a unos 900 ºC, su contenido en C, y el de la martensita final, sería muy bajo).  La dureza tras el temple, y también tras temple y revenido, depende de la temperatura de austenización previa: al aumentar la T de austenización, los carburos primarios se redisuelven más en la austenita y entra más carbono en solución sólida en esta fase la dureza de la martensita también aumenta (aunque también aumentaría el tamaño de grano óptimo a unos 1200 ºC).  Una T de austenización demasiado alta puede dar lugar a fusiones locales bajaría la tenacidad.  La alta templabilidad permite el temple al aire, aunque suele hacerse en aceite para controlar la cantidad de austenita retenida y la formación de carburos.  Microestructura tras el temple: carburos primarios (10-20%), martensita (50- 70%) y austenita retenida (20%, ya que Mf está muy por debajo de la ambiente) son aceros muy duros, pero frágiles, quedan con unas fuertes tensiones internas y son dimensionalmente inestables. 6-48  6.5. ACEROS RÁPIDOS  El tratamiento de revenido de los aceros rápidos (entre 540 y 580 ºC), es complejo y tiene como objetivos: aliviar las tensiones internas, reducir la fragilidad y estabilizar microestructuralmente el acero sin disminuir su altísima dureza, para lo que se aprovecha el fenómeno de dureza secundaria.  Durante el revenido se produce conjuntamente un ablandamiento de la martensita y una precipitación de carburos desde la martensita y desde la austenita sobresaturada. Por otro lado, la austenita retenida, al perder carbono y también aleantes, pasa a tener una mayor temperatura Ms esa austenita se transforma total o parcialmente en martensita en el enfriamiento subsiguiente.  La precipitación en el revenido, que produce dureza secundaria, depende tanto de la T y tiempo de austenización previos al temple, que determinan la sobresaturación de la martensita, como de la T y tiempo de revenido.  Tras un revenido a 520-600 ºC la microestructura sería de martensita revenida, carburos, martensita sin revenir y austenita retenida pueden realizarse varios revenidos consecutivos para optimizar la precipitación de los carburos se puede obtener una dureza final superior a la obtenida tras el temple. 6-49  6.5. ACEROS RÁPIDOS  Normalmente, tras un primer revenido (10 horas) no es posible eliminar completamente la austenita retenida del acero, pero sí se logra al realizar un segundo tratamiento de revenido de larga duración ras a la misma temperatura.  Puede ser preciso realizar un tercer revenido para eliminar las tensiones residuales de la martensita originada en el enfriamiento, y provocar su revenido final. 6-50  6.5. ACEROS RÁPIDOS e. Aplicaciones.  Comparando con el resto de aceros de herramientas:  Poseen mayores temperaturas de trabajo (600º).  Se puede trabajar con mayores velocidades de corte.  Su dureza en frío esta entre 60 y 70 HRC.  Tienen mayor resistencia a la abrasión.  Los costes de obtención son altos y el proceso de fabricación es más complejo.  Pueden aplicarse revestimientos, con altísima dureza, estabilidad térmica y buena adherencia (TiC, TiAl, Al2O3, diamante), que aumenten la resistencia al desgaste y la tenacidad aumentaría la productividad en las operaciones de mecanizado. 6-51  6.5. ACEROS RÁPIDOS  Se emplean para fabricar brocas, hojas de sierra, fresas para fresadora y prácticamente cualquier herramienta de corte, fresado, barrenado, desbaste y perforado. 6-52 6.5. ACEROS RÁPIDOS Designación española 6-53  6.5. ACEROS RÁPIDOS Designación AISI Designation Compositiona, % AISI UNS C Mn Si Cr Ni Mo W V Co Molybdenum high-speed steels M1 T11301 0.78-0.88 0.15-0.40 0.20-0.50 3.50-4.00 0.30 max 8.20-9.20 1.40-2.10 1.00-1.35 - 0.78-0.88; M2 T11302 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30 max 4.50-5.50 5.50-6.75 1.75-2.20 - 0.95-1.05 M3, class 1 T11313 1.00-1.10 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30 max 4.75-6.50 5.00-6.75 2.25-2.75 - M3, class 2 T11323 1.15-1.25 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30 max 4.75-6.50 5.00-6.75 2.75-3.75 - M4 T11304 1.25-1.40 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.75 0.30 max 4.25-5.50 5.25-6.50 3.75-4.50 - M7 T11307 0.97-1.05 0.15-0.40 0.20-0.55 3.50-4.00 0.30 max 8.20-9.20 1.40-2.10 1.75-2.25 - 0.84-0.94; M10 T11310 0.10-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30 max 7.75-8.50 - 1.80-2.20 - 0.95-1.05 M30 T11330 0.75-0.85 0.15-0.40 0.20-0.45 3.50-4.25 0.30 max 7.75-9.00 1.30-2.30 1.00-1.40 4.50-5.50 M33 T11333 0.85-0.92 0.15-0.40 0.15-0.50 3.50-4.00 0.30 max 9.00-10.00 1.30-2.10 1.00-1.35 7.75-8.75 M34 T11334 0.85-0.92 0.15-0.40 0.20-0.45 3.50-4.00 0.30 max 7.75-9.20 1.40-2.10 1.90-2.30 7.75-8.75 M35 T11335 0.82-0.88 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30 max 4.50-5.50 5.50-6.75 1.75-2.20 4.50-5.50 M36 T11336 0.80-0.90 0.15-0.40 0.20-0.45 3.75-4.50 0.30 max 4.58-5.50 5.50-6.50 1.75-2.25 7.75-8.75 M41 T11341 1.05-1.15 0.20-0.60 0.15-0.50 3.75-4.50 0.30 max 3.25-4.25 6.25-7.00 1.75-2.25 4.75-5.75 M42 T11342 1.05-1.15 0.15-0.40 0.15-0.65 3.50-4.25 0.30 max 9.00-10.00 1.15-1.85 0.95-1.35 7.75-8.75 M43 T11343 1.15-1.25 0.20-0.40 0.15-0.65 3.50-4.25 0.30 max 7.50-8.50 2.25-3.00 1.50-1.75 7.75-8.75 11.00- M44 T11344 1.10-1.20 0.20-0.40 0.30-0.55 4.00-4.75 0.30 max 6.00-7.00 5.00-5.75 1.85-2.20 12.25 M46 T11346 1.22-1.30 0.20-0.40 0.40-0.65 3.70-4.20 0.30 max 8.00-8.50 1.90-2.20 3.00-3.30 7.80-8.80 M47 T11347 1.05-1.15 0.15-0.40 0.20-0.45 3.50-4.00 0.30 max 9.25-10.00 1.30-1.80 1.15-1.35 4.75-5.25 M47 T11348 1.42-1.52 0.15-0.40 0.15-0.40 3.50-4.00 0.30 max 4.75-5.50 9.50-10.50 2.75-3.25 8.00-10.00 10.00- M62 T11362 1.25-1.35 0.15-0.40 0.15-0.40 3.50-4.00 0.30 max 5.75-6.50 1.80-2.10 - 11.00 6-54  6.5. ACEROS RÁPIDOS Tungsten high-speed steels 0.10- 0.20- 3.75- 0.30 17.25- 0.90- T1 T12001 0.65-0.80 - - 0.40 0.40 4.50 max 18.75 1.30 0.20- 0.20- 3.75- 0.30 17.50- 1.80- T2 T12002 0.80-0.90 1.0 max - 0.40 0.40 4.50 max 19.00 2.40 0.10- 0.20- 3.75- 0.30 0.40- 17.50- 0.80- 4.25- T4 T12004 0.70-0.80 0.40 0.40 4.50 max 1.00 19.00 1.20 5.75 0.20- 0.20- 3.75- 0.30 0.50- 17.50- 1.80- 7.00- T5 T12005 0.75-0.85 0.40 0.40 5.00 max 1.25 19.00 2.40 9.50 0.20- 0.20- 4.00- 0.30 0.40- 18.50- 1.50- 11.00- T6 T12006 0.75-0.85 0.40 0.40 4.75 max 1.00 21.00 2.10 13.00 0.20- 0.20- 3.75- 0.30 0.40- 13.25- 1.80- 4.25- T8 T12008 0.75-0.85 0.40 0.40 4.50 max 1.00 14.75 2.40 5.75 0.15- 0.15- 3.75- 0.30 1.00 11.75- 4.50- 4.75- T15 T12015 1.50-1.60 0.40 0.40 5.00 max max 13.00 5.25 5.25 Intermediate high-speed steels 0.15- 0.20- 3.75- 0.30 3.90- 0.80- M50 T11350 0.78-0.88 - - 0.45 0.60 4.50 max 4.75 1.25 0.15- 0.20- 3.50- 0.30 4.00- 0.75- 1.65- M52 T11352 0.85-0.95 - 0.45 0.60 4.30 max 4.90 1.50 2.25 6-55