Propiedades mecánicas de los aceros para moldes P4, P20 y P21

La condición detrás de cada conjunto de cifras

Los aceros para moldes no se venden con un solo conjunto de propiedades mecánicas, porque las cifras varían con el tratamiento térmico. El P4 es un grado de bajo carbono que se cementa para dar a la superficie de la cavidad su resistencia al desgaste, y las cifras del núcleo a continuación corresponden solo al núcleo, enfriado al aire desde 955 °C y revenido a 425 °C. El P20 normalmente se compra preendurecido y se mecaniza en la cavidad a unos 300 HB, y las cifras a continuación corresponden al grado sometido a un ciclo completo de temple y revenido, templado en aceite desde 845 °C y revenido 2 h a 205 °C. El P21 sigue otra ruta distinta. Se somete a tratamiento de solución, se mecaniza mientras está blando y luego se envejece hasta su dureza de trabajo, por lo que tiene dos columnas de cifras en lugar de una.

Todas las cifras provienen de una única fuente publicada, indicada bajo cada tabla con la página impresa de la que proceden. La resistencia a la tracción y el límite elástico se dan en megapascales con la cifra en ksi entre paréntesis tal como la imprime la fuente, y las dos escalas de dureza se mantienen según lo publicado, por lo que el P4 se reporta en la escala Brinell y el P20 y el P21 en la escala Rockwell C con una cifra Brinell al lado.

Propiedades mecánicas del acero para moldes P4

Propiedades del núcleo tras enfriamiento al aire desde 955 °C y revenido a 425 °C

Fuente, Tabla 15-3, Propiedades mecánicas básicas del acero para moldes P4 enfriado al aire desde 955 °C (1750 °F) y revenido a 425 °C (800 °F) de Tool Steels (G. A. Roberts y G. Krauss).

El P4 es el de mayor templabilidad de los aceros para moldes cementantes, por lo que puede enfriarse al aire en lugar de templarse y aun así alcanzar una resistencia del núcleo en la misma banda que los grados templados. La cifra del núcleo de 1034 MPa de límite elástico frente a 1289 MPa de tracción deja una amplia diferencia entre el límite elástico y la carga de rotura, y la reducción de área del 53 por ciento con un alargamiento del 15 por ciento describe un núcleo que absorberá impactos sin agrietarse. Esa combinación es la razón por la que el grado se elige para cavidades grandes y para embutición. La cifra de impacto CVN de 43 J se mide en una probeta estándar con entalla en V, y los 390 HB del núcleo son la dureza que soportan las paredes de la cavidad detrás de la capa cementada.

Propiedades mecánicas del acero para moldes P20

Cifras tras temple en aceite desde 845 °C y revenido 2 h a 205 °C

Fuente, Tabla 15-5, Propiedades mecánicas del acero para moldes P20 después del temple en aceite desde 845 °C (1550 °F) y revenido 2 h a 205 °C (400 °F) de Tool Steels (G. A. Roberts y G. Krauss).

El P20 es el grado del que se mecanizan la mayoría de las cavidades, y las cifras muestran por qué se usa una temperatura de revenido baja cuando el grado se endurece en lugar de comprarse preendurecido. El revenido a 205 °C deja de 36 a 38 HRC, que está por encima de la condición preendurecida de 300 HB pero sigue siendo lo bastante bajo para mecanizar y mantener la forma de la cavidad. El límite elástico de 1172 MPa se sitúa cerca de la cifra de tracción de 1310 MPa, y el alargamiento del 13 por ciento con una reducción de área del 51 por ciento es la ductilidad que evita que un molde se agriete al desmoldar una pieza. Aumentar la temperatura de revenido sacrifica esta dureza, y la respuesta al revenido del grado se representa en la página de tratamiento térmico del acero para herramientas P20 enlazada abajo.

Propiedades mecánicas del acero para moldes P21

La condición tratada en solución y la envejecida

Fuente, Tabla 15-6, Propiedades mecánicas del acero para moldes P21 de Tool Steels (G. A. Roberts y G. Krauss). La columna tratado en solución es el acero templado desde la temperatura de solución y mecanizado en esa condición. La columna envejecido es el mismo acero después de mantenerlo 20 a 24 h a la temperatura de envejecimiento.

El P21 endurece por precipitación de un compuesto de níquel-aluminio, por lo que se mecaniza en la condición tratada en solución a 26 HRC máximo y luego se envejece a una temperatura más baja para alcanzar su dureza de trabajo. La columna envejecida presenta 1234 MPa de tracción frente a 862 MPa en la condición tratada en solución, y el límite elástico sube de 586 MPa a 1138 MPa. La ductilidad cae en la misma proporción, con el alargamiento bajando del 24 por ciento al 16 por ciento y la reducción de área del 59 por ciento al 40 por ciento. El rango de dureza de 36 a 39 HRC tras el envejecimiento es más estrecho que el rango de los grados templados y revenidos, que es la razón habitual por la que un taller de moldes acepta el paso adicional por horno.

Dureza que deja cada temperatura de envejecimiento

Fuente, Tabla 15-7, Efecto de la temperatura de envejecimiento sobre la dureza del acero para moldes P21 de Tool Steels (G. A. Roberts y G. Krauss). El tiempo de envejecimiento fue de 20 a 24 h a cada temperatura.

La temperatura de envejecimiento fija la dureza, y la tabla va de 510 °C a 565 °C con la dureza cayendo en todo el recorrido. El envejecimiento a 510 °C da de 38 a 41 HRC, y subir el horno a 565 °C baja el rango a 27 a 32 HRC. El paso entre una temperatura y la siguiente es de 15 °C, y cada paso le cuesta al acero un poco de su dureza, por lo que la temperatura de envejecimiento es el único control que fija la dureza de trabajo del molde.

Lectura conjunta de los tres grados

Los tres conjuntos de cifras responden a la misma pregunta en distintos puntos del proceso. El P4 da su resistencia del núcleo solo después de la cementación y el tratamiento térmico, y la capa que se asienta sobre ese núcleo es la que soporta el desgaste. El P20 alcanza una cifra de tracción comparable en un solo ciclo de temple y revenido, por lo que se usa donde todo el bloque debe ser resistente y no solo la superficie. El P21 alcanza la cifra de tracción más alta de los tres, pero solo después de dos pasos por horno, uno para tratar en solución el bloque y otro para envejecerlo tras el mecanizado.

Se aplican dos advertencias a las tres columnas. La primera es que las cifras corresponden al tratamiento térmico exacto indicado en el título, por lo que un molde procesado a una temperatura de revenido más alta o envejecido a una temperatura distinta se situará en otro punto de estas escalas. La segunda es que los valores provienen de una única fuente publicada sobre una colada de cada grado, por lo que conviene confirmar las cifras de trabajo con el certificado de ensayo de la colada que se compre. Un pasador de carburo o un bloque separador que no esté cargado de la misma manera que la cavidad puede trabajar muy fuera de estas cifras.

Datos de referencia relacionados

El P20 se suministra preendurecido a unos 300 HB y se lista con sus formas y rango de sección en Acero para herramientas P20, mientras que el ciclo de temple, revenido y cementación del grado está en Tratamiento térmico del acero para herramientas P20. Los aceros para moldes resistentes a la corrosión tratados en el mismo capítulo corresponden a un acero inoxidable martensítico AISI 420 y se listan en acero inoxidable 420. La elección entre un acero para moldes y un acero para trabajo en caliente para un molde que ve temperaturas más altas se expone en Acero H13 y P20, y las propiedades de las familias más amplias de aceros para herramientas están en propiedades de los aceros para herramientas y selección de acero para moldes de plástico.

Fuente: Tool Steels (G. A. Roberts y G. Krauss).