Limitaciones, modos de falla y cómo evitarlos del acero para herramientas H13
El acero para herramientas H13 es uno de los aceros para herramientas de trabajo en caliente más confiables, con la dureza en caliente, tenacidad y resistencia a la fatiga térmica necesarias para moldes de fundición a presión, troqueles de forja en caliente y herramientas de extrusión. Aun así, tiene límites reales.
Las principales desventajas del H13 son la baja resistencia a la corrosión, el ablandamiento por encima de aproximadamente 650°C, el mecanizado en duro difícil, el riesgo de agrietamiento por soldadura y la sensibilidad a errores de rectificado y tratamiento térmico.
Cuando esos límites se ignoran en el diseño, mecanizado, tratamiento térmico, soldadura, rectificado o selección de material, los troqueles fallan prematuramente y los costos aumentan. Esta guía explica en qué puntos el H13 presenta deficiencias y cómo prevenir una falla prematura.
Guía rápida de las limitaciones del H13
| Limitación o modo de falla | Por qué ocurre | Cómo evitarlo |
|---|---|---|
| Corrosión y picaduras | El H13 tiene aproximadamente 5% de cromo, por lo que no es inoxidable. | Use recubrimientos, nitruración, almacenamiento controlado o un grado resistente a la corrosión. |
| Reblandecimiento a temperatura excesiva | La resistencia cae bruscamente por encima de aproximadamente 650°C. | Mantenga la temperatura de servicio dentro del rango de trabajo en caliente nominal o elija un grado de mayor temperatura. |
| Mecanizado difícil | La tenacidad del H13 aumenta el desgaste de la herramienta, especialmente después del temple. | Mecanice en condición recocida cuando sea posible y use herramientas de carburo o PCBN adecuadas para el mecanizado en duro. |
| Agrietamiento por soldadura | El enfriamiento rápido puede formar martensita frágil sin revenir en la zona afectada por el calor. | Use precalentamiento, material de aporte compatible y tratamiento térmico posterior a la soldadura. |
| Grietas de molienda | El sobrecalentamiento local crea capas frágiles retempladas o tensión térmica. | Use la selección correcta de muela, pasadas controladas y refrigerante bien dirigido. |
| Defectos de tratamiento térmico | La descarburización, la distorsión, el agrietamiento y la austenita retenida provienen de un control deficiente del proceso. | Controle la atmósfera del horno, la velocidad de calentamiento, la velocidad de temple y los ciclos de revenido. |
| Agrietamiento y desgaste en servicio | La fatiga térmica, los concentradores de tensión, la segregación, la abrasión por escamas y el engripamiento provocan la falla. | Mejore los radios de diseño, el tratamiento térmico, la práctica de enfriamiento, el acabado superficial y la calidad del material. |
¿Es resistente a la corrosión el acero para herramientas H13?
No. El H13 contiene aproximadamente 5% de cromo, pero no es inoxidable y ofrece poca resistencia a la corrosión. La prevención confiable de óxido requiere un contenido de cromo de aproximadamente 11-12%. En ambientes húmedos, agua de enfriamiento o condiciones de operación corrosivas, las superficies de H13 pueden picarse, y esos picados se convierten en puntos de concentración de tensión que inician grietas.
Trate la corrosión como un problema de diseño, no como una propiedad en la que pueda confiar. Los tratamientos superficiales como la nitruración o los recubrimientos, junto con el almacenamiento y los ambientes de operación controlados, son defensas prácticas. El picado, si no se controla, puede acortar la vida del dado antes que el desgaste mecánico.
¿A qué temperatura pierde resistencia y tenacidad el H13?
El H13 resiste bien a temperatura elevada, pero la resistencia cae bruscamente por encima de aproximadamente 650°C (1202°F) cuando la estructura comienza a transformarse. Opere un dado fuera de su rango nominal y se reblandecerá, aumentando el riesgo de falla.
La tenacidad también se define en el revenido. La ventana de temperatura que produce ese estado de baja tenacidad, y los otros mecanismos de fragilización que comparte, se enumeran con sus remedios en la página de tipos de fragilización del acero. El revenido cerca de 500°C (930°F) puede dejar el H13 en un estado de alta dureza y baja tenacidad conocido como fragilidad de revenido. Una temperatura de austenización demasiado alta engrosa el grano y fragiliza los límites de grano.
La solución es un control estricto de la austenización y el revenido, generalmente dos o tres ciclos de revenido, para equilibrar dureza y tenacidad. Para el procedimiento completo, consulte el Guía de tratamiento térmico del acero para herramientas H13.
¿Qué tan difícil es mecanizar el H13?
El H13 es moderadamente difícil de mecanizar. Su índice de maquinabilidad es de aproximadamente 70 en comparación con el acero al carbono 1% a 100, y su tenacidad acelera el desgaste de la herramienta y eleva los costos. El mecanizado es mucho más fácil en condición recocida que después del temple.
Cuando deba cortarse H13 templado, alrededor de 52-55 HRC, las herramientas de carburo sólido recubierto o PCBN, las profundidades de corte bajas de 0.05-0.3 mm y los avances de 0.05-0.2 mm/rev ayudan a mantener la presión y el calor bajo control. Se pueden lograr acabados superficiales de alrededor de 0.14-0.48 µm con una configuración adecuada. Para parámetros detallados, consulte maquinabilidad del acero para herramientas H13.
¿Se puede soldar el acero para herramientas H13?
Sí, pero es de alto riesgo y propenso al agrietamiento. Como aleación de alta templabilidad, el H13 forma martensita frágil sin revenir en la zona afectada por el calor con enfriamiento rápido, lo que provoca agrietamiento en frío inducido por hidrógeno. Ese agrietamiento puede aparecer días o semanas después de la soldadura, pasado el primer control.
Una reparación exitosa requiere un preheat de 100-200°C, un material de aporte ajustado a la composición y dureza del H13, y tratamiento térmico posterior a la soldadura para transformar la austenita retenida y aliviar tensiones. Omita cualquiera de estos, y la zona de soldadura se convierte en el siguiente origen de grieta. Para el método completo y los límites, consulte ¿Se puede soldar el acero para herramientas H13?.
¿Por qué se forman grietas de rectificado en el H13?
Las grietas de rectificado provienen del sobrecalentamiento local. Cuando una pasada calienta la superficie más rápido de lo que el volumen puede absorber, la superficie se retempla en una capa blanca frágil a 65-70 HRC o se reblandece por revenido local. La tensión térmica resultante abre grietas finas.
Estas microfisuras a menudo son invisibles pero se profundizan con pasadas abusivas y se convierten en sitios principales de iniciación de fatiga. La selección correcta de muela, velocidades controladas y refrigerante suficiente y bien dirigido previenen el daño. Trate el rectificado como un paso de acabado que puede destruir silenciosamente un dado por lo demás sano.
¿Qué sale mal durante el tratamiento térmico del H13?
El tratamiento térmico es donde se hacen o se pierden la mayoría de los dados de H13. Cuatro modos de falla dominan: la descarburización deja una piel superficial blanda y de bajo desgaste; la distorsión y el agrietamiento siguen a un calentamiento o temple desigual, especialmente en secciones complejas; y la austenita retenida permanece blanda e inestable, luego se transforma y fragiliza el dado.
Cada uno se remonta al control de la atmósfera y a la velocidad de calentamiento o enfriamiento más que al grado en sí. Son fallas de proceso, no límites del material, por lo que la defensa es el procedimiento. Los controles completos de temple, enfriamiento y revenido se cubren en el Guía de tratamiento térmico del acero para herramientas H13.
¿Cuáles son los modos de falla más comunes del H13 en servicio?
fatiga térmica
El agrietamiento térmico es la falla más común de los dados de trabajo en caliente. Los ciclos repetidos de calor y frío crean grietas superficiales finas.
Agrietamiento severo
Las fracturas grandes a menudo comienzan en concentradores de tensión y se agravan por grano grueso, segregación o exceso de austenita retenida.
Tener puesto
Los troqueles de forja suelen fallar por abrasión debido a la cascarilla y las partículas duras, además del engrase adhesivo a alta temperatura.
La fatiga térmica, o agrietamiento por calor, es especialmente común en la fundición a presión. El aluminio fundido forzado dentro de esas grietas bajo presión empeora la extracción de la pieza y la calidad superficial. El agrietamiento grueso es una fractura grande y profunda causada por tensiones mecánicas y térmicas combinadas en concentradores de tensión, como radios pequeños. El desgaste domina muchas aplicaciones de forja y puede representar una gran proporción de las fallas de los troqueles.
¿Cuándo no debería usar H13?
Elija un grado diferente cuando el trabajo esté dominado por corrosión, desgaste abrasivo muy alto o temperaturas de servicio superiores al rango de reblandecimiento del H13. El H13 es un caballo de batalla para trabajo en caliente, no un acero inoxidable ni un acero para trabajo en frío de alto desgaste.
Para ambientes húmedos o químicamente agresivos, es más adecuado un grado resistente a la corrosión. Para desgaste abrasivo intenso a temperaturas más bajas, un acero para trabajo en frío de alto carbono y alto cromo como D2 mantiene el filo por más tiempo. Ajustar el grado al modo de falla dominante es más económico que operar el H13 fuera de su rango de resistencia.
¿Afecta la calidad del material a la falla del H13?
Sí, y a menudo es la causa oculta. Muchas fallas prematuras del H13 se remontan al propio acero y no a la especificación del grado. La limpieza, el control de templabilidad y la baja segregación determinan qué tan bien resiste un troquel el agrietamiento y el agrietamiento por calor, y dos barras con la misma composición química de H13 pueden comportarse de manera diferente en servicio.
Las inclusiones y la segregación de carburos actúan como sitios de iniciación de grietas, y una estructura no homogénea reduce la tenacidad donde se concentra la tensión. El H13 ESR reduce las inclusiones y la segregación, por lo que es la mejora común para troqueles exigentes de fundición a presión y extrusión. El material en condición recocida también se maquina de forma más predecible y lleva menos tensión residual al proceso de endurecimiento. Para saber cuándo vale la pena la mejora, consulte ¿Cuándo elegir el acero para herramientas ESR H13?.
En resumen: la mayoría de las fallas del H13 no se deben a la elección de un grado deficiente. Provienen de usar el H13 fuera de su rango natural, un tratamiento térmico deficiente, un acabado sin control, soldadura riesgosa o una calidad de material que no está ajustada a la aplicación.
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