El acero para herramientas H21 es un acero para herramientas de trabajo en caliente base tungsteno, clasificado dentro del grupo H de AISI. Estos tipos de aceros se encuentran entre las primeras opciones de alta aleación desarrolladas para aplicaciones exigentes de herramientas a alta temperatura.

1. Composición química del acero para herramientas H21

El rendimiento del acero H21 está determinado en gran medida por sus elementos de aleación. Una composición típica incluye:

• Carbono (C): 0.26 % – 0.36 % (Proporciona templabilidad y resistencia al desgaste)
• Manganeso (Mn): 0.15 % – 0.40 % (Mejora la templabilidad, actúa como desoxidante/desulfurante)
• Silicio (Si): 0.15 % – 0.50 % (Aumenta la resistencia y la dureza, actúa como desoxidante)
• Cromo (Cr): 3.00 % – 3.75 % (Mejora la resistencia a la oxidación y corrosión a alta temperatura)
• Vanadio (V): 0.30 % – 0.60 % (Forma carburos duros, aumentando la resistencia al desgaste y la resistencia en caliente)
• Tungsteno (W): 8.50 % – 10.00 % (Elemento clave para dureza en caliente, resistencia a alta temperatura y resistencia al desgaste)

2. Propiedades del acero para herramientas H21

2.1 Dureza y resistencia al calor

El acero H21 es reconocido por su buena resistencia al calor y su capacidad para mantener la dureza a temperaturas elevadas, un factor crítico en aplicaciones de trabajo en caliente.

• Dureza después del revenido: Después de la austenización y templado (por ejemplo, 2 horas a 595 °C / 1100 °F), se puede alcanzar una dureza de aproximadamente 529 HB. Aumentar la temperatura de revenido (por ejemplo, a 650 °C / 1200 °F) reduce la dureza a aproximadamente 437 HB.
• Dureza en caliente: A temperaturas de operación, la dureza disminuye. Por ejemplo, la dureza en caliente podría ser de alrededor de 280 HB a 595 °C (1100 °F) y 211 HB a 650 °C (1200 °F). (Basado en datos típicos con una dureza inicial a temperatura ambiente de 444 HB).

2.2 Tenacidad y ductilidad

Si bien ofrece buena resistencia en caliente, la tenacidad y la resistencia al impacto de H21 son generalmente menores en comparación con los aceros base cromo hot-work steels, como H11 o H13. Sus características de impacto también se consideran inferiores a las de H19.

• La temperatura de revenido elegida y la velocidad de enfriamiento después del temple, como el temple en aceite temple frente a un enfriamiento más lento, influyen significativamente en la tenacidad al impacto (Izod o Charpy V-notch).
• Las propiedades torsionales pueden variar significativamente según los parámetros específicos de tratamiento térmico utilizados para alcanzar la dureza objetivo, típicamente dentro del rango de 42-55 HRC.

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3. Tratamiento térmico

Lograr el rendimiento óptimo del acero para herramientas H21 depende en gran medida de un proceso preciso de tratamiento térmico. Este procedimiento desarrolla la dureza, la resistencia al desgaste y la tenacidad necesarias para aplicaciones exigentes de trabajo en caliente.

3.1 Precalentamiento

Antes del proceso principal de temple, el acero para herramientas H21 debe precalentarse cuidadosamente.

• Temperatura: Calentar uniformemente a 760–815 °C (1400–1500 °F).
• Propósito: Este paso crucial minimiza el choque térmico y previene el agrietamiento, especialmente en componentes con formas complejas o espesores variables. El calentamiento lento y uniforme asegura que la temperatura se distribuya uniformemente en todo el acero, preparándolo para las altas temperaturas de la austenización.

3.2 Austenización (endurecimiento)

Después del precalentamiento, el acero se lleva a la temperatura de austenización.

• Temperatura: Calentar a 1095–1205 °C.
• Propósito: En esta etapa, la microestructura del acero se transforma en austenita. Esto permite que el carbono y los elementos de aleación críticos, como el tungsteno (W) y el cromo (Cr), se disuelvan en la estructura, lo cual es fundamental para alcanzar la dureza al enfriar.

Mantenimiento a la temperatura de austenización

Mantener el acero a la temperatura de austenización (remojo) es vital.

• Duración: Típicamente de 2 a 5 horas, dependiendo del espesor de la sección transversal (permita tiempo suficiente, por ejemplo, 1 hora por pulgada de espesor).
• Propósito: El alto contenido de tungsteno y cromo de H21 forma carburos estables. Un tiempo de remojo suficiente asegura que estos carburos se disuelvan completamente y se distribuyan uniformemente dentro de la austenita, lo que conduce a una estructura uniforme lista para el temple.

3.3 Temple (enfriamiento)

El enfriamiento rápido transforma la austenita en acero martensítico duro.

• Métodos: El acero H21 se puede templar en aire o en aceite.
• Consideraciones: Debido a su alta templabilidad, H21 se endurece fácilmente incluso con un enfriamiento más lento al aire. El temple al aire a menudo se prefiere ya que reduce significativamente el riesgo de distorsión y agrietamiento por temple en comparación con el temple en aceite más severo, especialmente para piezas grandes o intrincadas. El temple en aceite se puede utilizar si la dureza máxima es el objetivo principal. La velocidad de enfriamiento debe ser lo suficientemente rápida para prevenir la formación de estructuras más blandas, como perlita o bainita.

3.4 Templado

El acero H21 templado es extremadamente duro pero también frágil. El revenido es necesario para refinar sus propiedades.

• Temperatura: Recalentar el acero a 595–675 °C.
• Propósito: El revenido reduce la fragilidad y mejora significativamente la tenacidad y la ductilidad mientras retiene una dureza sustancial. La temperatura y el tiempo específicos utilizados determinarán el equilibrio final entre dureza y tenacidad.
• Múltiples temperamentos: Para aceros para herramientas de alta aleación como H21, es práctica común realizar dos o más ciclos de revenido. Esto asegura la estabilidad estructural, transforma cualquier austenita retenida y puede contribuir al endurecimiento secundario, mejorando aún más el rendimiento a temperaturas elevadas.

Tabla de dureza y temperatura de revenido para acero H21

3.5 Controles importantes del proceso

3.5.1 Prevención de la descarburación

El acero H21 es propenso a la descarburación, o la pérdida de carbono de la superficie, a altas temperaturas de tratamiento térmico, lo que resulta en una capa superficial blanda y débil.

• Solución: Las medidas de protección son esenciales durante la austenización. Esto incluye el uso de hornos de atmósfera controlada, baños de sal o envolver las piezas en material protector como lámina de acero inoxidable.

3.5.2 Enfriamiento después de la forja

Debido a la alta templabilidad del H21, las piezas forjadas deben enfriarse lentamente (por ejemplo, enfriamiento en horno o enterramiento en aislante) inmediatamente después de la operación de forja.

• Razón: Evite el normalizado (enfriamiento al aire desde alta temperatura), ya que esto puede causar que el acero se endurezca parcial o totalmente, lo que lleva a fragilidad y posible agrietamiento antes del proceso previsto de temple y revenido. El enfriamiento lento asegura una estructura más adecuada para el tratamiento térmico posterior.

Este enfoque estructurado para el tratamiento térmico del acero para herramientas H21 asegura que el material entregue el alto rendimiento requerido para sus aplicaciones previstas de herramientas de trabajo en caliente. El control preciso de cada parámetro es clave para el éxito.

4. Aplicaciones del acero para herramientas H21

Gracias a su dureza en caliente y resistencia al desgaste, el acero H21 se utiliza en diversos procesos de trabajo en caliente:

• Troqueles e insertos de forja
• Punzones, perforadores y mandriles para trabajo en caliente
• Herramientas de extrusión en caliente
• Cuchillas de corte en caliente (especialmente para aplicaciones severas, a veces junto con H25)
• Troqueles de fundición a presión (particularmente para latón)
• Troqueles de acuñación (especialmente donde se puede cambiar algo de resistencia al desgaste por una mejor resistencia a la rotura en secciones delgadas)

El H21 se considera a menudo una opción adecuada para herramientas destinadas a producciones medianas.

5. Grados equivalentes del acero para herramientas H21

• Europeo (EN): X30WCrV9-3 (1.2581)
• Alemania (DIN): 1.2581
• Japón (JIS): SKD5
• Francia (AFNOR): 32CDV12-28
• China (GB): 3Cr2W8V