Los mejores aceros para herramientas para matrices de extrusión de aluminio

Para la mayoría de las matrices de extrusión de aluminio de uso general, el H13 debería ser la primera opción. Ofrece el mejor equilibrio general entre resistencia al desgaste, dureza en caliente, tenacidad y resistencia al agrietamiento por calor.

Para mandriles, pistones, bloques de prueba y otros componentes de herramientas sometidos a altas tensiones, el acero H11 puede ser una mejor opción cuando la principal preocupación es el agrietamiento, la tensión de flexión o la fractura.

Para herramientas que requieren mayor dureza en caliente y estabilidad dimensional, se puede considerar el H12, especialmente para matrices de extrusión en caliente, camisas y émbolos. La selección más amplia de grados para herramientas de extrusión se encuentra en el guía de selección de acero para herramientas para matrices de extrusión en caliente.

Para puntas de mandril e insertos de alto desgaste, M2 o el acero rápido T1 puede utilizarse cuando la fricción y el calor localizados superan la capacidad de los aceros H13 o H11. El M2 suele ser la opción más equilibrada, mientras que el T1 se utiliza principalmente cuando se requiere la máxima dureza en caliente.

Qué limita la vida útil de las matrices de extrusión de aluminio

La extrusión de aluminio opera con temperaturas de palanquilla de alrededor de 340-510°C y normalmente sin lubricación, por lo que la matriz soporta dos cargas al mismo tiempo: esfuerzo de compresión sostenido que puede alcanzar 1035 MPa (150 ksi), y ciclos térmicos continuos. El aluminio también tiende a adherirse a la superficie de la matriz, lo que aumenta la fricción y el esfuerzo cortante en la zona de apoyo.

La vida útil de la matriz está por lo tanto limitada por tres mecanismos: desgaste abrasivo por el flujo del metal, Desgaste adhesivo por adherencia y fatiga térmica. El agrietamiento térmico, la red de fisuras superficiales formada por el calentamiento y el enfriamiento repetidos, suele ser el factor dominante, y un grado que solo parece duro sobre el papel no resolverá un problema de agrietamiento térmico.

Lo que cuesta cada factor de selección cuando está subespecificado. El agrietamiento térmico, no la dureza, es el factor que decide la vida útil de la matriz con mayor frecuencia.

La dureza de trabajo para herramientas de extrusión se sitúa en la banda de 42-51 HRC según el componente, por lo que la diferencia entre H11, H12 y H13 proviene de la composición y la estructura de carburos más que de la dureza en sí. En la nomenclatura europea y japonesa los dos grados estándar son 1.2343 (SKD6) para H11 y 1.2344 (SKD61) para H13.

Tabla de selección de aceros para herramientas para componentes de matrices de extrusión de aluminio

Grado por componente de herramienta. El cuerpo de la matriz, el mandril y los insertos localizados de alto desgaste son tres ciclos de trabajo diferentes dentro de un mismo conjunto de matriz.

La selección de herramientas para la extrusión de aluminio no se basa en un único tipo de acero universal. La elección correcta depende del componente, el nivel de tensión, el riesgo de desgaste, la exposición térmica y la vida útil requerida.

H13 vs H11: Cómo elegir entre resistencia al desgaste y tenacidad

El H13 contiene más vanadio que el H11, generalmente alrededor de 1.0% en comparación con aproximadamente 0.5% en el H11. Este mayor contenido de vanadio contribuye a la formación de carburos de vanadio más duros, lo que mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión por calor. Por esta razón, el H13 se utiliza ampliamente como material estándar de uso general para matrices de extrusión de aluminio, tanto macizas como huecas.

Seleccione H13 cuando se necesiten herramientas:

• Rendimiento general equilibrado: El H13 ofrece una combinación sólida de dureza en caliente, tenacidad, resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga térmica.
• Mejor resistencia al desgaste que el H11: Un mayor contenido de vanadio favorece una mayor formación de carburos duros.
• Resistencia al agrietamiento térmico: El H13 es adecuado para superficies de matriz que se calientan y enfrían repetidamente.
• Rendimiento estándar de matrices de extrusión: Generalmente es la primera opción más segura para perfiles sólidos y huecas de uso general.

El H11 tiene un menor contenido de vanadio, lo que le confiere una resistencia al desgaste ligeramente inferior a la del H13, pero una mayor tenacidad a la fractura y ductilidad. Esto convierte al H11 en una excelente opción para componentes sometidos a altas tensiones de flexión, cargas de impacto o riesgo de agrietamiento.

Seleccione H11 cuando se necesiten las herramientas:

• Mayor tenacidad: El H11 es adecuado cuando la resistencia a la fractura importa más que la resistencia al desgaste.
• Menor riesgo de agrietamiento: Útil para mandriles largos y herramientas estructurales altamente solicitadas.
• Mejor ductilidad: El H11 puede soportar mejor el esfuerzo de flexión y el choque mecánico.
• Confiabilidad estructural: Adecuado para émbolos, bloques ficticios, respaldos de matriz y otros componentes de soporte.

Elija H13 cuando la resistencia al desgaste y la vida útil general del troquel sean las principales preocupaciones. Elija H11 cuando la resistencia al agrietamiento y la tenacidad sean más importantes.

¿Cuándo utilizar H12 para herramientas de extrusión de aluminio?

El H12 también es un acero para herramientas de trabajo en caliente con cromo, pero su función es más específica que la del H13 o el H11.

El acero H12 contiene tungsteno, además de cromo, molibdeno y vanadio. Esto le confiere mayor resistencia al ablandamiento a altas temperaturas y una mejor estabilidad dimensional en condiciones exigentes de trabajo en caliente. El H12 puede seleccionarse para matrices de extrusión en caliente, revestimientos y pistones donde la dureza en caliente y el control de la deformación son importantes.

Elija H12 cuando se necesiten herramientas:

• Geometría compleja de matriz: Una mejor estabilidad dimensional ayuda a reducir el riesgo de alabeo y distorsión.
• Alta carga térmica: El soporte de aleación de tungsteno mejora la resistencia al reblandecimiento a temperaturas elevadas.
• Herramientas de soporte para servicio pesado: El H12 se puede utilizar para camisas, émbolos y matrices de extrusión en caliente donde la alta dureza en caliente es importante.
• Requisitos específicos de estabilidad: Es útil cuando el control dimensional importa más que simplemente elegir el grado más común.

En la mayoría de las decisiones de compra prácticas, H13 y H11 siguen siendo las opciones principales, mientras que H12 es una alternativa para requisitos específicos en cuanto a dureza y estabilidad en caliente.

Cuándo usar M2 o T1 para puntas de mandril e insertos de alto desgaste

Los aceros M2 y T1 son aceros de alta velocidad. No son materiales de uso general para el cuerpo de las matrices de extrusión de aluminio. Se utilizan selectivamente para las puntas de los mandriles, los insertos de las matrices u otras zonas localizadas de alto desgaste.

El cuerpo principal del troquel necesita resistencia y solidez estructural. Las puntas y los insertos pueden requerir una resistencia al desgaste local y una dureza en caliente mucho mayores.

En comparación con los aceros H13 o H11, los aceros M2 y T1 pueden someterse a un tratamiento térmico para alcanzar una mayor dureza y mantenerla incluso bajo calor localizado intenso. Esto los hace idóneos cuando la fricción y la carga térmica en una pequeña área de la herramienta son demasiado elevadas para los aceros estándar para trabajo en caliente.

Elija M2 cuando las herramientas lo requieran:

• Fricción localizada severa: El alto contenido de carburos proporciona la resistencia al desgaste necesaria para las puntas de mandril e insertos.
• Resistencia equilibrada al astillamiento: M2 ofrece un mejor equilibrio de tenacidad que muchos aceros rápidos con mayor aleación.
• Condiciones mixtas de desgaste e impacto: Es adecuado para aplicaciones donde el inserto debe resistir tanto la abrasión como la tensión mecánica.
• Rendimiento rentable: M2 suele ser más económico que los aceros rápidos ricos en tungsteno.

El acero M2 suele ser la opción más práctica de acero de alta velocidad para puntas e insertos de mandriles, ya que proporciona una gran resistencia al desgaste y un mejor equilibrio de tenacidad que muchos aceros de alta velocidad con mayor contenido de aleación.

Elija T1 cuando se necesiten las herramientas:

• Máxima dureza en caliente: T1 es adecuado para aplicaciones donde el inserto debe resistir el reblandecimiento térmico a altas temperaturas.
• Alta estabilidad térmica: Su composición rica en tungsteno ayuda a mantener la dureza a temperaturas elevadas.
• Resistencia al reblandecimiento térmico: Útil cuando el reblandecimiento es el modo de falla principal.
• Menor riesgo de astillamiento: T1 es menos atractivo si la falla por impacto o el astillamiento del borde son comunes.

El T1 es un acero rápido de tungsteno clásico con una excelente dureza en caliente, pero suele ser más caro y menos resistente que el M2. En la mayoría de los casos, el M2 es la opción más equilibrada, mientras que el T1 se reserva para problemas de ablandamiento térmico extremo.

Por qué la respuesta a la nitruración es importante en la selección del acero para matrices de extrusión de aluminio

La respuesta a la nitruración es una razón importante por la que los materiales H11, H12 y H13 se utilizan ampliamente para matrices de extrusión de aluminio.

Las matrices de extrusión de aluminio necesitan una superficie dura y resistente al desgaste, sostenida por un núcleo resistente. Aceros para trabajo en caliente de la serie H Contienen cromo, molibdeno y vanadio, que pueden formar nitruros estables durante la nitruración. Esto permite que la superficie del molde alcance una alta resistencia al desgaste, mientras que el núcleo conserva la suficiente tenacidad para soportar una elevada presión de extrusión.

Las dos mitades de una matriz de extrusión nitrurada: una superficie de trabajo dura soportada por un núcleo que sigue siendo lo suficientemente tenaz para soportar la carga de la prensa.

Por este motivo, la nitruración no debe considerarse un proceso secundario. Si el acero seleccionado no responde bien a la nitruración, es posible que no tenga un buen rendimiento en la extrusión de aluminio, incluso si su dureza base parece aceptable.

Esta es una de las razones por las que los aceros H13, H11 y H12 son más adecuados que muchos aceros aleados de uso general para matrices de extrusión de aluminio. Pueden combinar una superficie de trabajo nitrurada con un núcleo de soporte resistente.

Decisiones de diseño del dado que determinan el acero

El grado es solo la mitad de la respuesta. Cuatro decisiones de diseño cambian la carga que soporta un dado, y pueden alejar la elección de la respuesta estándar H13.

• Sólido o hueco. Un dado hueco divide el metal en puertos y lo resuelda en la cámara de soldadura, por lo que el mandril y los puentes soportan carga de flexión que un dado sólido nunca ve. En esos componentes la tenacidad supera a la resistencia al desgaste. Las dos familias se comparan en la página de tipos de dados de extrusión de aluminio.
• Longitud de la boquilla. Una boquilla más larga eleva la presión y la fricción en la zona de contacto, que es donde comienza el desgaste adhesivo, por lo que empuja el requisito hacia el extremo de mayor resistencia al desgaste del rango H11 / H12 / H13. Cómo se mide la boquilla está en la página de longitud de apoyo de hilera.
• Tamaño del dado frente al tocho. Un perfil que necesita un círculo circunscrito grande deja menos acero alrededor de la boquilla para soporte, por lo que el dado debe ser más grueso y tenaz para la misma forma. El límite se establece en la página de diámetro del círculo circunscrito.
• La trayectoria de carga detrás del dado. El respaldo, el bolster, el liner y el dummy pad soportan la carga de la prensa en lugar de formar el perfil, por lo que se eligen por tenacidad y resistencia en caliente en lugar del grado más duro disponible.

Un dado que equilibra el flujo evita los puntos calientes donde una parte del perfil corre más rápido que el resto, y una boquilla que se mantiene más fría se desgasta más lentamente sea cual sea el grado del que esté hecha. Cómo falla un dado cuando el diseño es incorrecto se describe en la página de desgaste de dados de extrusión de aluminio.

Recomendación práctica

Para la mayoría de las matrices de extrusión de aluminio, el H13 es la mejor opción inicial, ya que ofrece la combinación más equilibrada de resistencia al desgaste, dureza en caliente, tenacidad, resistencia a la fatiga térmica, respuesta a la nitruración y coste.

Elija H11 cuando el componente de la herramienta esté sometido a grandes esfuerzos y el principal riesgo sea el agrietamiento, la flexión o la fractura.

Elija H12 cuando la dureza en caliente, la estabilidad dimensional o el control de la deformación sean especialmente importantes.

Elija M2 para puntas de mandril e insertos de alto desgaste cuando sea necesario mejorar la resistencia al desgaste localizada sin que todo el cuerpo de la matriz resulte demasiado duro o costoso.

Elija T1 solo cuando se requiera la máxima dureza en rojo y el inserto falle principalmente debido al ablandamiento térmico en lugar de al astillamiento.

En un conjunto práctico de herramientas para extrusión de aluminio, la mejor solución no suele ser usar un solo acero para cada pieza. Un diseño robusto puede emplear H13 para la matriz principal, H11 para mandriles o herramientas de soporte sometidos a altas tensiones, y M2 o T1 para insertos localizados de alto desgaste. Esto proporciona a las herramientas un mejor equilibrio entre vida útil, resistencia al agrietamiento y estabilidad en trabajos en caliente.

Qué determina el costo de un dado de extrusión de aluminio

El precio del acero para dados es una pequeña parte de lo que cuesta un dado de extrusión de aluminio. Lo que realmente paga un taller de prensa es el costo por tonelada de perfil: el precio del dado dividido por los tochos que prensa antes del retrabajo, más la chatarra producida mientras el dado se asienta, más el tiempo de prensa perdido al cambiarlo.

Por eso el grado más barato en una cotización suele ser el dado más caro. H13 y H11 cuestan más por kilogramo que un acero para trabajo en caliente de uso general, pero mantienen su dureza y su boquilla por más tiempo, por lo que el dado prensa más tochos entre retrabajos. Un grado que agrieta por calor temprano hace lo contrario: se retrabaja, se renitrura y se vuelve a montar, y cada uno de esos ciclos cuesta tiempo de prensa.

Tres cosas deciden la respuesta en la práctica: la aleación de extrusión, porque un perfil de la serie 7000 carga el dado varias veces más que el 6063; el perfil mismo, porque el espesor de pared y el número de huecos determinan la carga de la boquilla; y el tratamiento superficial, porque una boquilla nitrurada dura más entre retrabajos que una sin tratar. Grado, tamaño, cantidad, aleación de extrusión y perfil son las cinco cosas necesarias para cotizar acero para dados en función de la vida del dado y no de una lista de precios.

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