Acero para herramientas obtenido por metalurgia de polvos frente a acero para herramientas obtenido por fusión convencional.

Dos acero para herramientas Las barras pueden tener la misma denominación de grado y, sin embargo, comportarse de forma completamente diferente en la planta de producción. La composición química de la aleación suele ser similar, a veces idéntica, pero una barra proviene de un lingote estático y la otra de polvo atomizado y consolidado bajo presión. Esa única diferencia en la forma en que el metal líquido se solidifica es la causa principal de casi todas las discrepancias que encuentran los compradores al comparar grados de metalurgia de polvos y convencionales.

Este artículo analiza de dónde proviene esa diferencia, qué cambios produce en la herramienta final y cuándo merece la pena pagar la prima por el servicio de gestión de proyectos.

Cómo los dos procesos solidifican el acero

El acero para herramientas convencional comienza su proceso en un horno de arco eléctrico y se funde en lingotes estáticos o palanquillas de colada continua. Para grados donde la limpieza es crucial, las acerías añaden una segunda etapa de refundición, ya sea por electroescoria o por arco al vacío, para reducir la porosidad central, el gas atrapado y las macroinclusiones. Sin embargo, la fundición convencional no puede evitar el tiempo. Un lingote grande se enfría durante horas, a veces días, y durante ese tiempo los elementos de aleación tienen espacio para migrar. El resultado es la segregación micro y macroscópica, la formación de bandas químicas que posteriormente se manifiesta como filamentos de carburo en la microestructura.

El acero metalúrgico en polvo comienza de la misma manera, con fusión por inducción, pero el flujo fundido nunca toca un molde. Chorros de gas a alta presión lo atomizan en finas gotitas que se solidifican casi instantáneamente al caer a través de una torre de atomización. Esta velocidad de enfriamiento es varios órdenes de magnitud más rápida que la de la fundición en lingotes, y es lo suficientemente rápida como para suprimir la reacción de carburo eutéctico grueso que provoca la segregación. El polvo resultante se tamiza, se sella en recipientes y se consolida hasta alcanzar la densidad máxima mediante prensado isostático en caliente; luego se forja o lamina en barras de la misma manera que se termina el acero convencional.

Tamaño y distribución del carburo

La velocidad de solidificación es clave. Un enfriamiento lento permite que los carburos crezcan y se agrupen en la dirección del flujo del lingote, y luego el laminado estira esos grupos formando bandas. Una solidificación rápida no les da esa oportunidad.

Esa diferencia de magnitud en el tamaño de los carburos es lo que se refleja posteriormente en la tenacidad, la capacidad de rectificado, la maquinabilidad y la estabilidad dimensional.

Tenacidad y propiedades transversales

Los carburos bandeados facilitan la medición, siendo esta más difícil en la dirección transversal, perpendicular a la dirección de laminación. El acero para herramientas convencional es notablemente más débil en esa orientación, lo cual es importante para cualquier herramienta sometida a cargas desde múltiples ángulos en lugar de directamente a lo largo del eje de la barra. Dado que el acero PM no presenta bandeado, sus propiedades se mantienen constantes independientemente de la dirección de medición. Para herramientas que sufren impactos o cortes intermitentes, esta isotropía suele ser el factor decisivo, por encima de la dureza bruta.

Rectificabilidad y maquinabilidad

La capacidad de rectificado se suele medir con el índice G, que representa el volumen de metal eliminado por unidad de desgaste de la muela. Los carburos grandes y duros, en particular los carburos MC ricos en vanadio, no se rectifican limpiamente. Se fracturan o se arrastran sobre la muela y la desgastan rápidamente, por lo que las aleaciones convencionales de alta aleación presentan bajos índices G. Los carburos PM son lo suficientemente pequeños como para desprenderse durante el rectificado sin dañar el abrasivo, y el acero PM puede rectificarse hasta diez veces más rápido que una aleación convencional con un contenido de carburo comparable.

La misma distribución fina y uniforme de carburos favorece la maquinabilidad en estado recocido. El procesamiento por metalurgia de polvos también permite a las acerías aumentar el contenido de azufre para obtener grados de fácil mecanizado sin la penalización en la trabajabilidad en caliente que conlleva la metalurgia convencional, ya que los sulfuros de manganeso permanecen pequeños y dispersos en lugar de formar filamentos.

Estabilidad dimensional mediante tratamiento térmico

Todo acero para herramientas se deforma durante el endurecimiento, pero la forma en que lo hace es crucial. La segregación y la estructura direccional de los carburos provocan que el acero convencional se deforme de manera desigual, a menudo adquiriendo un patrón cuadrangular reconocible al perder su forma circular. El acero PM se deforma uniformemente en todas las direcciones, por lo que la falta de redondez se mantiene cercana a un círculo perfecto. Este movimiento predecible facilita la compensación en la etapa de diseño y reduce el riesgo de agrietamiento por temple en geometrías complejas.

La resistencia al desgaste es más compleja de lo que parece.

Este es el aspecto en el que los compradores de herramientas suelen equivocarse. Con una composición química idéntica, el acero convencional puede mostrar una resistencia ligeramente superior al desgaste abrasivo puro, ya que sus carburos de mayor tamaño actúan como rocas que impiden que las partículas abrasivas se deslicen. Sin embargo, la mayoría de las fallas reales en las herramientas se deben al desgaste adhesivo y a las microfisuras, en lugar de a la abrasión limpia, y es ahí donde el acero PM se impone, dado que su campo de carburos uniforme resiste mucho mejor las microfisuras y el desprendimiento de material.

La principal ventaja reside en la libertad de aleación. El procesamiento por metalurgia de polvos (PM) permite obtener grados como CPM 10V, CPM Rex 76 y ASP 60 con niveles de vanadio, niobio y cobalto que, de fundirse convencionalmente, provocarían fisuras durante el trabajo en caliente. Estos grados PM superaleados alcanzan una resistencia al desgaste y una dureza en rojo inalterables para cualquier grado convencional, simplemente porque ningún lingote convencional podría mantener esa composición química mediante forjado.

Respuesta al tratamiento térmico

Los carburos finos se disuelven más rápido durante la austenización, por lo que el acero PM alcanza su máxima dureza a una temperatura de endurecimiento más baja y responde de manera más uniforme en toda la pieza. Dicho esto, el acero PM no tolera mejor un ciclo de tratamiento térmico deficiente que el acero convencional. Una herramienta PM con un tratamiento térmico inadecuado seguirá teniendo un rendimiento inferior al de una herramienta convencional con un tratamiento adecuado.

¿Cuándo merece la pena pagar la prima del Primer Ministro?

El acero para herramientas PM suele costar entre un 5 y un 50 por ciento o más por encima del equivalente convencional, y los grados convencionales aún cubren aproximadamente el 90 por ciento del mercado porque las herramientas estándar no necesitan lo que ofrece PM. PM justifica su precio en algunas situaciones específicas.

La geometría compleja de herramientas como fresas, machos de roscar y escariadores, donde la distorsión desigual durante el endurecimiento arruinaría las tolerancias de acabado, se beneficia del movimiento predecible de la metalurgia de polvos (PM). Las herramientas sometidas a fuertes impactos o cortes interrumpidos se benefician de la tenacidad isotrópica de la PM, que resiste el astillamiento que destruiría una herramienta convencional. Las aplicaciones que requieren una resistencia extrema al desgaste abrasivo o adhesivo justifican el uso de grados de PM superaleados sin contraparte convencional. Grandes bloques de herramientas, incluyendo grandes matrices de fundición a presión, se benefician de la ausencia de segregación en la metalurgia de polvos, ya que la segregación en un gran bloque convencional acelera la fatiga térmica y el agrietamiento por calor durante la vida útil del chip.

Fuera de esos casos, un producto convencional de buena procedencia y con un certificado de prueba de fábrica limpio cumple la función a una fracción del costo.