Tratamientos superficiales para moldes de acero para herramientas, incluyendo nitruración, PVD y cromado duro.

La mayoría de las fallas en moldes y matrices comienzan en la superficie. El desgaste aumenta las dimensiones; el rozamiento y la adhesión dañan el acabado; las resinas corrosivas atacan la cavidad; y las piezas comienzan a pegarse durante la eyección. El acero para herramientas templado en toda su masa que se seleccione determina la resistencia del núcleo y la dureza del material, pero el tratamiento superficial decide cómo se comporta el molde en la segunda mitad de su vida útil. Los tres tratamientos más comunes son la nitruración, la deposición física de vapor (PVD) y el cromado duro. Cada uno se adapta a un conjunto diferente de grados de acero, y la combinación incorrecta de tratamiento y acero base es una causa común de falla prematura del recubrimiento.

Esta guía cubre la ingeniería de superficies para moldes y matrices ya construidos con acero para herramientas templado en toda su masa. Si está seleccionando un acero con bajo contenido de carbono para ser carburizado para engranajes, ejes u otras piezas estructurales, esa es una decisión diferente, cubierta en nuestra guía para acero de cementación.

Nitruración

La nitruración es un proceso de difusión termoquímica que introduce nitrógeno atómico en la superficie del acero para formar una capa dura y resistente al desgaste. Dado que se realiza por debajo de la temperatura de transformación de fase del acero, no se requiere enfriamiento, por lo que la distorsión y el cambio dimensional son muy bajos. Esto la hace atractiva para herramientas acabadas donde la geometría debe mantenerse. El mecanismo de difusión subyacente es el mismo que se describe en la sección de nitruración de nuestro documento. guía de endurecimiento superficial; Esta sección se centra en cómo se aplica a los moldes y matrices de acero para herramientas.

La nitruración gaseosa se realiza en atmósfera de amoníaco, generalmente entre 495 y 565 °C. La nitruración por plasma, también llamada nitruración iónica, se lleva a cabo en una cámara de vacío, donde una descarga de alto voltaje genera un plasma que impulsa iones de nitrógeno hacia la pieza. La nitruración por plasma puede operar a temperaturas más bajas, hasta aproximadamente 375 °C, lo que reduce aún más la distorsión y proporciona un control dimensional más preciso. Además, permite enmascarar las áreas que deben permanecer blandas, lo cual es importante en moldes con orificios roscados o elementos de referencia.

La razón por la que la nitruración es un tratamiento para aceros de herramientas y no para aceros al carbono simples radica en su composición química. Requiere aceros que contengan elementos formadores de nitruros, como cromo, molibdeno, vanadio y aluminio. En la práctica, esto apunta directamente a los aceros para trabajo en caliente y en frío que ya se utilizan para la fabricación de herramientas. H13 Responde excepcionalmente bien y se nitrura de forma rutinaria para su uso en moldes de fundición a presión y extrusión, donde el desgaste superficial y la erosión térmica provocan fallos. D2 y A2, Ambos, con alto contenido de cromo, también responden bien a la nitruración cuando se necesita una superficie de matriz dura y apta para el trabajo en frío sin un paso de recubrimiento adicional. El acero para moldes de plástico P20 es otro candidato común. Una capa nitrurada alcanza aproximadamente 65-70 HRC y hasta unos 1100 HV.

El punto clave a controlar es la capa blanca, una fina capa compuesta de nitruros de hierro en la superficie más externa. Es muy dura, pero también frágil, y puede desprenderse o astillarse al recibir un impacto. Para trabajos sensibles a las grietas, como los moldes de fundición a presión, la capa blanca debe minimizarse o eliminarse, algo que la nitruración por plasma moderna logra con éxito. Si el molde se somete a cargas de impacto, consulte con el taller de tratamiento sobre el control de la capa blanca antes de introducir las piezas.

Deposición física de vapor (PVD)

La PVD es un proceso de vacío a baja temperatura que deposita una película cerámica delgada y ultradura sobre la superficie del molde. Dentro de una cámara de alto vacío, un objetivo sólido se atomiza mediante evaporación por arco o pulverización catódica; el metal vaporizado reacciona con un gas como nitrógeno o carbono, y el compuesto se condensa sobre el molde. Las películas más comunes son nitruro de titanio (TiN, del conocido color dorado), carbonitruro de titanio (TiCN), nitruro de titanio y aluminio (TiAlN) y nitruro de cromo (CrN). Estos recubrimientos tienen un espesor de tan solo 2 a 5 µm y a menudo superan los 70 HRC, por lo que proporcionan una dureza superficial extrema sin alterar las estrictas tolerancias del molde.

Dos propiedades hacen que la PVD sea fácil de integrar en un flujo de trabajo de utillaje terminado. Se realiza a temperaturas de entre 200 y 550 °C, por debajo de la temperatura de revenido de la mayoría de los aceros para herramientas, por lo que un molde completamente endurecido y acabado puede recubrirse sin ablandamiento, deformación ni ningún tratamiento térmico posterior al recubrimiento. Además, dado que la deposición es un proceso de línea de visión, los átomos se desplazan en línea recta, por lo que las geometrías complejas y las cavidades profundas requieren fijaciones giratorias para un recubrimiento uniforme, y los orificios ciegos verdaderos siguen siendo una limitación.

El acero base determina la durabilidad del recubrimiento PVD. La película es delgada y rígida, por lo que el sustrato subyacente debe ser lo suficientemente duro para soportar la carga sin deformarse. El mínimo práctico es de aproximadamente 43 HRC. En un sustrato más blando, el recubrimiento se flexiona con el acero y se agrieta, un fallo conocido como efecto cáscara de huevo. Por ello, los aceros para trabajo en frío endurecidos a valores entre 50 y 60 HRC, como el D2 o el A2, son buenos sustratos PVD, mientras que una base de molde blanda no lo es. Cuando el soporte del núcleo es limitado, se utiliza un tratamiento dúplex: primero se nitrura el molde para crear una capa de soporte y luego se aplica el recubrimiento PVD. El acabado superficial también es importante. El molde debe pulirse hasta obtener un acabado fino, con una rugosidad media (Ra) inferior a 1 µm, antes del recubrimiento, ya que las crestas y los surcos crean concentraciones de tensión que provocan el fallo de la película.

Cromado duro

El cromado duro es un proceso de galvanoplastia que confiere a los moldes una alta dureza superficial, baja fricción y buena resistencia a la corrosión. El cromo se deposita a partir de un baño de ácido crómico a baja temperatura, entre 60 y 70 °C. En el caso de los moldes de plástico, la capa suele tener un espesor de entre 5 y 13 µm, aunque se pueden aplicar depósitos mucho más gruesos, de hasta aproximadamente 0,25 mm, para recuperar y reconstruir superficies de matrices desgastadas. La dureza tras el cromado oscila entre 62 y 72 HRC.

La principal ventaja del cromo reside en su capacidad de liberación. Reduce el coeficiente de fricción, mejorando así el flujo del material hacia la cavidad y facilitando la expulsión de la pieza. Es la opción estándar para moldes de inyección de plástico que utilizan resinas corrosivas como el PVC, donde el ácido clorhídrico liberado durante el moldeo podría dañar el acero. El cromo protege la cavidad de este ataque.

Existen limitaciones reales. Cualquier rasguño o irregularidad en el molde se transparenta a través del recubrimiento y se magnifica, por lo que un pulido de alta calidad antes del recubrimiento es indispensable. Los aceros para herramientas pueden sufrir fragilización por hidrógeno durante el recubrimiento, lo que requiere un horneado posterior para aliviarla. El cromo tiende a astillarse o desprenderse en los bordes afilados, por lo que no es adecuado para geometrías con bordes afilados o donde el plástico contiene cloruros ignífugos. Además, dado que el recubrimiento uniforme de cavidades profundas depende de ánodos conformes, es difícil recubrir de manera uniforme geometrías internas muy complejas.

Adaptación del tratamiento al acero

El acero base no es un detalle que deba definirse una vez elegido el tratamiento. Ambas decisiones están vinculadas. La nitruración requiere un contenido de aleación formadora de nitruros en grados como H13, D2 y A2. La PVD necesita un sustrato lo suficientemente duro como para soportar una película rígida delgada, lo que descarta bases blandas y favorece grados de trabajo en frío y en caliente debidamente endurecidos, o una pila dúplex de nitruración más PVD. El cromo es la solución para la liberación y la corrosión en moldes de plástico, pero conlleva limitaciones en bordes y cavidades complejas.

Por qué el acero base determina el resultado

Cada uno de estos tratamientos presupone un acero base química y mecánicamente consistente. La nitruración depende de que el cromo, el molibdeno y el vanadio estén presentes en las especificaciones, ya que estos elementos forman los nitruros que confieren dureza al material. El recubrimiento PVD depende de que el sustrato alcance y mantenga la dureza necesaria para la formación de la película. El cromado requiere una superficie limpia y sólida que permita un recubrimiento uniforme. Cuando el acero de entrada presenta una composición no óptima o un endurecimiento inconsistente, se atribuye al tratamiento la falla que se originó en la barra.

Aobo Steel suministra aceros para herramientas de grados como H13, D2, D3 y A2 con verificación de composición química y dureza, para que el acero que llega a su taller de nitruración, PVD o recubrimiento se comporte según lo previsto en el tratamiento. Si está planificando herramientas con tratamiento superficial y desea confirmar la idoneidad del grado o solicitar un certificado para una colada específica, contáctenos en [email protected] con su grado, tamaño de la sección y tratamiento objetivo.