ACEROS PARA HERRAMIENTAS Dr. Ing. Pablo D. Bilmes. Los aceros para herramientas son usados para maquinar otros materiales y por lo tanto, son diseñados para tener alta dureza y durabilidad bajo severas condiciones de servicio.
Los tratamientos térmicos para aceros de herramientas son similares a aquellos realizados en aceros al carbono y de baja aleación: austenización, formación de martensita, y revenido. Sin embargo, como los aceros de herramientas son muy aleados, hay que tener especiales precauciones durante el procesado para alcanzar un apropiado balance de carburos aleados en una matriz de martensita revenida para una dada aplicación como herramienta.
Los aceros para herramientas son un grupo muy grande de complejas aleaciones que han evolucionado para satisfacer las más diversas aplicaciones relacionadas con el trabajado en caliente y en frío. Su importancia industrial y complejidad ha conducido a la existencia de una considerable literatura acerca de su desarrollo, procesado y aplicaciones. Detalles del procesado tales como velocidades de enfriamiento recomendadas y tiempos y temperaturas de tratamientos térmicos para aceros específicos, son encontrados no sólo en la literatura sino en información detallada distribuida por la l a mayoría de los fabricantes.
1-INTRODUCCIÓN El acero para herramientas es un acero al carbono o aleado, adecuado para la fabricación de matrices, herramientas diversas de estampado y corte e incluso instrumentos de medición. Estos aceros por tratamientos térmicos pueden adquirir alguna o varias de las siguientes características: -Alta dureza -Resistencia al desgaste -Alta resistencia al impacto -Resistencia a la termofluencia -Alta resistencia al choque térmico Desde hace años han sido desplazados parcialmente por materiales compuestos de tipo cermets (metalcerámicos) conocidos comercialmente como Widias y por diamantes industriales. Los cermets son pastillas o insertos de muy finos carburos de tungsteno aglutinados en una matriz metálica de níquel. Estos materiales permiten una mejor maquinabilidad en las condiciones mas desfavorables pero su costo es superior.
2-CLASIFICACIÓN DE ACEROS DE HERRAMIENTAS Los distintos tipos de aceros son categorizados categorizados dentro de una serie de clases en conrcordancia con la clasificación que realiza la AISI (American Iron and Steel Institute) y la SAE (Society of Automotive Engineers).
Son identificados por una letra que representa la composición química del acero. La tabla 1 lista las composiciones químicas nominales y las distintas clases de aceros de herramientas que existen.
2.1-Aceros para herramientas al carbono Por su elevada velocidad crítica de temple deben ser templados en agua. por ello son clasificados como grados AISI tipo W (water). Tienen el mas bajo contenido de aleantes y por lo tanto la más baja templabilidad de todos los tipos de aceros para herramientas por ende, las grandes secciones endurecen solo a una mínima profundidad. Gruesas secciones pueden ser endurecidas por temple en aceite para minimizar fisuras de temple y distorsiones. El diámetro crítico hace que estos aceros adquieran temple total para un diámetro menor a los 12 mm. por ello se emplean en herramientas de pequeñas dimensiones o en otras de mayor tamaño que conservan buena tenacidad con aristas cortantes en su superficie como ser en la fabricación de limas, brocas, avellanadores, escariadores, etc. Las ventajas de los aceros al carbono son su bajo precio y excelente trabajado por deformación y mecanizado en estado de recocido (dureza máxima 200-250HB). Los inconvenientes son: estrecho intervalo de temperaturas de temple que conduce a peligrosos sobrecalentamientos, el hecho de enfriar en agua o en salmuera que intensifica las distorsiones o torceduras pudiendo provocar fisuras, y por último que su máxima temperatura de trabajo son los 200°C. Las temperaturas de temple son 30-50°C por encima de A3 para aceros hipoeutectoides y de 50- 70°C por encima de A1 para aceros hipereutectoides.
2.2-Aceros para herramientas aleados Todos los aceros para herramientas excepto aquellos del tipo W al carbono tienen suficiente cantidad de aleantes de forma tal que se incrementa notablemente su Templabilidad. Esto permite el temple en aceite e incluso en aire. Además estos aceros son los que brindan las mejores combinaciones de propiedades de un acero para herramientas y en las situaciones donde los requerimientos son los mas exigentes. 2.1.1-Efecto de los aleantes Cromo
Es el elemento de aleación de relativamente más bajo costo. Incrementa la Templabilidad y en suficiente exceso forma el carburo Cr23C6 que brinda resistencia al desgaste. Cuando el cromo está en solución forma un óxido muy estable, pasivante, que mantiene el filo de las herramientas de corte. Molibdeno y tungsteno
Tienen efectos similares en cuanto a Templabilidad y otras características. Cuando el contenido de ellos supera el 5% forman con el carbono el carburo M6C que precipita luego del revenido resistiendo el ablandamiento y promoviendo el endurecimiento secundario típico de los aceros rápidos. Este endurecimiento que ocurre en dichos aceros también es llamado endurecimiento al rojo porque la herramienta puede tomar esa coloración por calentamiento sin ablandarse y perder su filo. El Mo es de menor costo que el W.
Vanadio
Forma los carburos del tipo V4C3 que son lomas duros en un acero para herramientas. Este elemento otorga gran resistencia al desgaste y dureza. El V es un elemento costoso. Características de los aceros aleados de acuerdo a la norma IRAM-IAS U500-669 (Tabla 1)
Los aceros de herramientas resistentes al impacto, AlSI tipo S, tienen mas bajos contenidos de C y contenidos de aleantes un tanto mas altos que los tipos W. EI contenido de medio C mejora la tenacidad y hace que los aceros tipo S sean apropiados para aplicaciones con cargas de impacto. Los aceros de herramientas para trabajado en frío incluyen tres clases de aceros: los tipos O, A y D. Todos tienen alto C para obtener alta dureza y alta resistencia al desgaste en aplicaciones de trabajado en frío. Difieren entre ellos en el contenido de aleantes afectando esto la templabilidad relativa y la distribución de carburos incorporados en las microestructuras endurecidas. Los grados O, de bajo contenido de aleantes, son templados en aceite. Los grados A y D son templables en aire y por lo tanto son menos susceptibles a distorsiones y fisuración durante el temple. EI alto contenido de Cr y Mo de los aceros A y D también contribuye a un alto contenido de carburos que brindan una alta resistencia al desgaste. Los aceros de herramientas para propósitos especiales, tipo L, en virtud de su bajo C tienen más altas tenacidades que los grados O. Los aceros de herramientas usados para matrices y moldes de plástico, AlSI tipo P, son expuestos a un desgaste menos severo que aquellos usados para operaciones de trabajado de metales, y por lo tanto tienen menos C. Un requerimiento importante es la excelente terminación superficial. Los aceros inoxidables martensiticos tipo 420 son también usados para moldes de plástico cuando la corrosión es un factor limitante importante en la performance de los aceros P de mas baja aleación. Los aceros de herramientas para trabajado en caliente tipo H, caen dentro de grupos que tienen Cr, Mo o tungsteno como aleantes principales. Los aceros H son usados para forjado en caliente y extrusión. El contenido media en C y el relativamente alto contenido de aleantes hacen que los aceros tipo H sean endurecibles por temple en aire y resistentes al impacto y al ablandamiento durante repetidas exposiciones a operaciones de trabajado en caliente. Los aceros de herramientas para altas velocidades de corte son aceros muy aleados con tungsteno y Mo en los grados T y M, respectivamente. El tungsteno, Cr, Mo y V en aceros, producen muy altas densidades de carburos muy estables. Como resultado, los aceros para altas velocidades de corte son capaces de retener durezas en temperaturas tan altas como 600°C y son ampliamente usados en aplicaciones de corte y maquinado Los aceros Maraging son también listados en la tabla I y algunas veces son seleccionados como material para herramientas y matrices. Los aceros Maraging desarrollan alta resistencia y dureza por medio de diferentes mecanismos independientes de los asociadas al contenido de C. A pesar de su bajo C, el alto contenido de Co y Ni asegura la formación de martensita con enfriamiento en aire. La martensita obtenida, de bajo C y baja resistencia, es luego endurecida por una fina precipitación de compuestos intermetálicos tales como Ni 3Mo, por
envejecimientos a alrededor de 480°C. Cuando se requiere ultra alta resistencia y tenacidad, los aceros maragings son los más indicados. Cabe destacar que nuevos grados de estos aceros incluyen diseños con formulaciones químicas libres de Co.
3-DISEÑO DE ACEROS PARA HERRAMIENTAS El diseño de aceros de herramientas esta basado en gran parte en aceros aleados con elementos fuertemente formadores de carburos, como ser Cr, Mo, W y V. Estos elementos se particionan en los carburos y en la matriz austenítica durante la solidificación, el trabajado en caliente, el recocido, y la austenización previa al temple. Durante el temple, los carburos aleados formados en austenita son retenidos y la matriz austenítica transforma a martensita. También hay un posterior particionamiento que ocurre durante el revenido cuando la austenita revenida transforma y finos carburos aleados precipitan en la matriz de martensita revenida. El endurecimiento y la resistencia al desgaste de los aceros para herramientas son provistos por todos los elementos de la microestructura:
-
los carburos primarios retenidos la martensita revenida los carburos formados durante el revenido
La tabla 2 muestra los carburos formados por los elementos de transición en los varios grupos de la tabla periódica. Los carburos metálicos de transición tienen muy alta dureza, alto punto de fusión, y propiedades eléctricas únicas. El carburo de tungsteno (CW) es el mayor componente de carburos cementados para herramientas de corte, y los carburos metálicos de transición y los revestimientos de nitruros son grandemente usados para mejorar la resistencia al desgaste de los aceros de herramientas. En aceros, las estructuras cristalinas de los carburos metálicos de transición incorporan átomos de hierro y diversos elementos formadores de carburos. La letra M es utilizada para designar el componente atómico metálico de un carburo. La tabla lista los tipos de carburos, estructura cristalina y algunas características de cada uno de los tipos de carburos encontrados en aceros de herramientas. La resistencia al desgaste de los aceros de herramientas aumenta con el incremento de la fracción en volumen de carburos y con el incremento de sus durezas:
Las Fig. 1 y 2 son dos comparaciones gráficas de las durezas de varios carburos aleados en relación a la dureza de la martensita y la cementita, el carburo típico de aceros al carbono de baja aleación o sin aleantes. Se observa que los carburos metálicos de transición alcanzan muy altas durezas y así contribuyen en forma significativa a la resistencia al desgaste de los aceros de herramientas, los cuales contienen grandes fracciones en volumen de dichos carburos. por ej. los aceros de alta velocidad de corte contienen tanto como un 30% en volumen de carburos consistentes de una mezcla de MC, M23C6 y M6C. La cantidad y tipos de carburos en un acero de herramienta depende del contenido de carbono, del contenido de aleantes y de la temperatura de austenización empleada
4- PROCESADO PRIMARIO DE ACEROS DE HERRAMIENTAS Las Fig. 3 y 4 muestran esquemáticamente el procesado termomecánico y el tratamiento térmico final aplicado a aceros de herramientas.
El procesado comienza con la fusión y solidificación. Los aceros de herramientas son fundidos en hornos eléctricos de arco o de inducción a partir de chatarra de acero cuidadosamente seleccionada y la adición de aleantes. Para los grados especiales de alta calidad, los lingotes pueden ser sometidos a refusión y solidificación por electroescoria para su refinación. El tamaño de los lingotes por lo general es pequeño para reducir el espaciado del entramado dendrítico y la segregación durante el enfriamiento. Hoy día existen nuevas técnicas de procesado tales como la atomización de acero en finos polvos y su subsecuente compactación. Esto permite obtener microestructuras mas homogéneas. El alto contenido de aleantes de los aceros de herramientas resulta en una significativa segregación y formación de carburos aleados primarios durante la solidificación. Los aceros de herramientas de alta velocidad de corte, en virtud de su alto contenido de aleantes, tienen la mas compleja secuencia de solidificación.
Después de la solidificación del lingote, los aceros de herramientas son mantenidos en altas temperaturas y luego trabajados en caliente por forja, extrusión o laminado en el rango de temperatura de estabilidad de la austenita o austenita + carburos. EI trabajado en caliente no solo reduce el tamaño de la sección sino que también reduce la segregación producida durante la solidificación por destrucción de la estructura de solidificación y homogeinización. También, en aceros de alta velocidad de corte, el trabajado en caliente rompe la interconectabilidad de las estructuras de carburos formados por solidificación eutéctica. Luego, cuando se ha dado una suficiente homogeinización, los carburos se esferoidizan y alinean en bandas causando anisotropía en la ductilidad en caliente. Los carburos aleados alineados pueden ser sitios preferenciales para la formación de huecos y fisuras, por lo tanto, los aceros de herramientas muy altamente aleados requieren un cuidadoso trabajado en caliente para prevenir la fisuración. Después del trabajado en caliente, los aceros de herramientas son maquinados para obtener herramientas y matrices de formas requeridas. El recocido (annealing) es necesario para llevar a la microestructura de trabajado en caliente a una condición favorable para m aquinado (baja dureza y resistencia mecánica) y subsecuente endurecimiento. El objetivo de los tratamientos de recocido de los aceros de herramientas es producir una microestructura consistente de carburos esferoidizados uniformemente distribuidos en una matriz de ferrita. Tal microestructura tiene baja dureza lo cual restituye su maquinabilidad y reduce el desgaste sobre las herramientas de corte. El recocido también afina la estructura de granos gruesos formados durante el trabajado a alta temperatura, elimina estructuras duras formadas durante el enfriamiento después del trabajado en caliente, y homogeniza los efectos de deformaciones no uniformes que pueden desarrollarse durante el trabajado en caliente de gruesas secciones con complicadas formas. El recocido es efectuado por un calentamiento justo a la temperatura donde toda la ferrita transforma a austenita. Las partículas de carburos son retenidas y esferoidizadas, y la
austenita transforma a ferrita. Adicionalmente, durante el enfriamiento los carburos se siguen esferoidizando. Si el recocido es llevado a cabo a muy altas temperaturas, los carburos aleados se disuelven y la austenita se enriquece en C y aleantes, pudiéndose formar luego o bien carburos en borde de grano, o transformar a perlita o martensita durante el enfriamiento, produciendo microestructuras demasiado duras para maquinar. Las tensiones residuales pueden ser introducidas dentro de un acero de herramientas por la deformación plástica que acompaña la remoción de metal durante las operaciones de maquinado. Las tensiones residuales pueden causar distorsiones durante el calentamiento y endurecimiento, y por lo tanto deben ser removidas por un tratamiento subcrítico a baja temperatura (stress relief). El tratamiento es típicamente realizado a 650°C, donde la ferrita y los carburos son estables. Los carburos no son afectados por el relevado de tensiones pero, la alta densidad de dislocaciones en la ferrita deformada por el maquinado, es reducida por recuperación o eliminada por la recristalización de la ferrita. Las gruesas secciones deben ser suavemente enfriadas desde 650°C basta al menos 300 ºC, después del relevado de tensiones. Esta precaución reduce gradientes de temperatura entre la superficie y el centro de gruesas secciones y por lo tanto evita el desarrollo de nuevas tensiones residuales.
5-ENDURECIMIENTO DE ACEROS PARA HERRAMIENTAS EI procesado final de los aceros de herramientas consiste de un tratamiento térmico para producir la dureza requerida y otras propiedades para una dada aplicación, como ser resistencia mecánica y al desgaste, etc. La Fig.4 muestra que el endurecimiento final consiste de un número de pasos que incluyen precalentamiento, austenización, enfriamiento o temple. y revenido. El objetivo de esta secuencia es producir martensita revenida. Algunas veces se realiza un martempering para igualar la temperatura previo a la formación de martensita, o un austempering para obtener bainita inferior; ambos realizados por mantenimiento a temperaturas por arriba de Ms. Precalentamiento y Austenitización Los aceros aleados de herramientas, debido a sus atlas durezas y complejas microestructuras aún en el estado de recocido y relevado de tensiones, son susceptibles a distorsiones y fisuración durante el calentamiento cuando se desarrollan gradientes de temperatura a través de la sección. Tales gradientes causan expansión por el calentamiento y contracción debido a la formación de austenita, que ocurre en diferentes localizaciones. Los gradientes térmicos crean tensiones que algunas veces son lo suficientemente altas como para causar fisuración, especialmente en aceros de herramientas con baja ductilidad y baja resistencia a la fractura, por estas razones, el precalentamiento es aplicado a aceros de herramientas para establecer un equilibrio térmico previo al calentamiento a la temperatura final de austenitización. La austenitización es un paso muy crítico en el endurecimiento de un acero de herramienta. En este paso ocurre la partición final de los elementos aleantes entre la matriz austenítica (la cual transforma a martensita) y los carburos retenidos. Esta partición fija la química, la fracción en volumen y la dispersión de los carburos retenidos.
Los carburos aleados retenidos no sólo contribuyen a la resistencia al desgaste sino que también controlan el tamaño de grano austenítico. Cuanto más finos sean los carburos y mayor sea su fracción en volumen mejor se controlará el crecimiento de grano austenítico. Así, si la austenización es llevada a cabo a una temperatura muy alta, los carburos se engrosan o disuelven en la austenita y el grano crece demasiado comprometiendo la performance posterior del material. Los elementos aleantes no retenidos en los carburos aleados, están en solución en la austenita. De esta manera, los carburos aleados proveen un importante mecanismo por medio del cual se fija la composición de la austenita. La composición de la austenita luego fija la templabilidad, la temperatura Ms, el contenido de austenita retenida y el potencial de endurecimiento secundario de un acero de herramienta. Con incrementadas temperaturas de austenización, mayor cantidad de elementos aleantes entran en solución, así la Ms disminuye y mayor cantidad de austenita es retenida a temperatura ambiente. Como resultado, la dureza en la condición como templado a temperatura ambiente disminuye, y el enfriamiento subcero tiene un mayor efecto cuando la mayoría de la gran fracción en volumen de austenita retenida transforma a martensita en el enfriamiento subcero. La Fig.5 muestra que ante un eventual revenido, la dureza de estructuras de temple con grandes cantidades de austenita retenida puede elevarse. Esto ocurre por la acción combinada de la transformación de la austenita retenida y por el endurecimiento secundario.
Templabilidad y formación de martensita
La templabilidad de la mayoría de los aceros de herramientas es alta. por lo tanto, el enfriamiento en aceite o en aire (dependiendo de la composición de la aleación, las condiciones de austenitizado y el tamaño de la sección) es suficiente para producir las microestructuras y propiedades requeridas con mínimas distorsiones y fisuras de temple. Comparados con los aceros de medio C y baja aleación, en los aceros de herramientas (de alto C) la austenización y el contenido de carburos retenidos ejercen un mayor efecto sobre la templabilidad. Altas temperaturas de austenización disminuyen el contenido de carburos aleados, incrementan el contenido de aleantes en la matriz de austenita y consecuentemente incrementan la templabilidad relativa respecto de las bajas temperaturas de austenización aplicadas a los mismos aceros. por lo tanto, los efectos de los elementos aleantes sobre la templabilidad en aceros de alto C puede ser bastante diferente dependiendo de las condiciones de austenización. En aceros de herramientas, la martensita se forma cuando las condiciones de enfriamiento y la templabilidad son suficientes para prevenir las transformaciones controladas por difusión que producirían ferrita, perlita o bainita. La austenita retenida después del temple, puede ser transformada a martensita por medio de un enfriamiento subcero, o mas comúnmente, transformada a ferrita y carburos durante un revenido a alta temperatura.
Revenido de aceros de herramientas
El revenido es el tratamiento final aplicado a los aceros para herramientas. Como es conocido, el revenido se realiza para mejorar la tenacidad de un acero después del temple. En aceros de herramientas es muy importante la posible ocurrencia de endurecimiento secundario por precipitación de carburos aleados, durante altas temperaturas de revenido. También ocurre que en el enfriamiento del revenido, la austenita retenida que no descompuso a bainita durante el revenido, transforma a martensita. Normalmente, es aplicado un doble o triple revenido para asegurar que la tenacidad sea mejorada después de los cambios microestructurales inducidos por el primer revenido. Esto es, mediante el segundo y tercer revenido la martensita producto de la transformación de la austenita retenida, puede revenirse. Asimismo, cualquier gruesa bainita producto de la descomposición de la austenita retenida, puede revenirse de modo de mejorar la tenacidad del material.
