¿Qué es el acero para herramientas endurecible al aire y cómo funciona?

¿Qué es el acero para herramientas endurecible al aire?

Los aceros para herramientas de endurecimiento al aire contienen suficiente carbono y elementos de aleación para endurecerse durante el enfriamiento al aire desde la temperatura de austenización. En el sistema AISI, la serie A es el grupo principal de aceros para herramientas de trabajo en frío de endurecimiento al aire. A2, A6 y A7 son ejemplos típicos.

En la selección práctica de aceros para herramientas, el comportamiento de endurecimiento al aire también se observa fuera de la serie A. Aceros para herramientas de alta aleación como D2, H13, S7, M2 y muchos otros pueden endurecerse mediante enfriamiento al aire, aire forzado o gas. El denominador común es su alta templabilidad.

La templabilidad se refiere a la capacidad del acero para endurecerse transversalmente durante el temple. En el acero para herramientas de endurecimiento al aire, una alta templabilidad permite que el acero se endurezca sin necesidad de temple en agua o aceite.

¿Cómo funciona el endurecimiento por aire del acero para herramientas?

El endurecimiento del acero depende de la formación de martensita. Cuando el acero para herramientas se calienta hasta su temperatura de austenización, su estructura se transforma en austenita. Durante el enfriamiento, el acero debe evitar la formación de estructuras más blandas como la perlita o la bainita. Si la velocidad de enfriamiento es suficientemente alta, la austenita se transforma en martensita.

Los aceros al carbono simples necesitan una alta velocidad de enfriamiento crítico. Deben enfriarse muy rápidamente para evitar la formación de perlita, por lo que los aceros endurecibles por agua necesitan un enfriamiento rápido.

Los aceros para herramientas de endurecimiento al aire tienen una velocidad de enfriamiento crítica más baja. Los elementos de aleación como el cromo, el molibdeno, el manganeso, el vanadio y el tungsteno retrasan la transformación de austenita a perlita o bainita. Esto le da al acero tiempo suficiente para alcanzar la transformación martensítica durante un enfriamiento más lento.

Como resultado, el enfriamiento por aire o gas aún puede producir martensita. El acero se endurece, pero la tensión de temple es mucho menor que en el temple con agua o aceite.

¿Por qué el endurecimiento al aire reduce la deformación y el agrietamiento?

La distorsión se debe principalmente a un enfriamiento desigual y a una transformación desigual.

En el temple con agua o aceite, la superficie se enfría mucho más rápido que el núcleo. La superficie se contrae primero, mientras que el interior permanece caliente y expandido. Esto genera tensión térmica. Si la tensión es excesiva, la herramienta puede deformarse o agrietarse.

La formación de martensita también genera tensiones debido a la expansión del acero durante la transformación. En un enfriamiento brusco, la superficie puede endurecerse formando martensita mientras el núcleo aún conserva su estado de austenita caliente. Cuando el núcleo se transforma y se expande posteriormente, ejerce presión sobre la superficie ya endurecida. Esto puede provocar grietas o una fuerte deformación.

El endurecimiento al aire reduce este problema. La superficie y el núcleo se enfrían de manera más uniforme. La diferencia de temperatura dentro de la herramienta disminuye. La transformación martensítica también se produce de forma más uniforme en toda la sección. Esto confiere a los aceros para herramientas endurecibles al aire una mayor estabilidad dimensional y una mayor seguridad durante el proceso.

Acero para herramientas endurecido al aire, endurecido al aceite y endurecido al agua.

Los aceros para herramientas de endurecimiento por agua, por aceite y por aire se diferencian principalmente en el contenido de aleación, la templabilidad, la severidad del temple y la estabilidad dimensional.

Los aceros de endurecimiento al aire suelen elegirse cuando la estabilidad dimensional, el endurecimiento profundo o un menor riesgo de agrietamiento son más importantes que el coste de la materia prima.

Grados comunes de acero para herramientas de endurecimiento al aire

Los aceros para herramientas de endurecimiento al aire no se limitan a un solo grupo AISI. La serie A es la familia clásica de aceros para trabajo en frío de endurecimiento al aire, pero muchos aceros de las series D, H, S y de alta velocidad también se endurecen mediante enfriamiento por aire o gas.

Consideraciones sobre el tratamiento térmico para el acero para herramientas de endurecimiento al aire.

El acero para herramientas de endurecimiento al aire requiere un tratamiento térmico controlado. El proceso habitual incluye recocido, mecanizado, alivio de tensiones cuando sea necesario, austenización, temple al aire o gas y revenido.

La temperatura exacta depende del grado. Los aceros A2, D2, H13, S7 y M2 no comparten el mismo programa de tratamiento térmico. Un acero para trabajo en frío, un acero para trabajo en caliente y un acero de alta velocidad requieren diferentes condiciones de endurecimiento y revenido.

La protección de la superficie también es importante. Muchos aceros de endurecimiento al aire utilizan altas temperaturas de austenización. Una atmósfera deficiente en el horno puede provocar descarburación, dejando una capa superficial blanda. Los hornos de vacío, las atmósferas controladas, los baños de sales o los métodos de envoltura adecuados ayudan a reducir este riesgo.

La austenita retenida también puede afectar la estabilidad dimensional. Un alto contenido de aleación puede generar austenita inestable tras el temple. Múltiples ciclos de revenido, y en ocasiones un tratamiento criogénico, ayudan a estabilizar la estructura antes de su uso.

¿Cuándo conviene elegir acero para herramientas de endurecimiento al aire?

Elija acero para herramientas de endurecimiento al aire cuando la herramienta requiera alta dureza con mínima deformación por tratamiento térmico. Es especialmente útil cuando la forma de la herramienta hace que el temple en agua o aceite sea arriesgado.

Limitaciones del acero para herramientas endurecible al aire

El acero para herramientas endurecible al aire tiene claras ventajas, pero también limitaciones.

La primera limitación es la maquinabilidad. El alto contenido de aleación y los carburos duros dificultan el mecanizado y el rectificado de muchos aceros de endurecimiento al aire. Los aceros de la serie A suelen ser menos maquinables que los aceros de endurecimiento al agua. El acero D2 es más difícil de mecanizar debido a su alto volumen de carburos.

La segunda limitación es el costo. El cromo, el molibdeno, el vanadio, el tungsteno y otros elementos de aleación incrementan el costo de la materia prima. Los aceros de temple al aire suelen ser más caros que los aceros simples de las series W u O.

La tercera limitación es el tamaño de la sección. Los aceros de endurecimiento al aire son de endurecimiento profundo, pero aun así, el aire tiene sus limitaciones. Las secciones muy grandes pueden requerir enfriamiento por aire forzado, enfriamiento con gas u otro método de enfriamiento controlado. La elección correcta depende del grado, el tamaño, la geometría y la capacidad del horno.

La normalización no suele ser adecuada para aceros para herramientas endurecibles al aire. El enfriamiento al aire desde altas temperaturas puede endurecer el acero, convirtiéndolo en martensita frágil. Cuando se requiere ablandamiento, estos aceros generalmente necesitan un recocido completo en lugar de la normalización.

El endurecimiento al aire tampoco garantiza la ausencia total de deformación. Un calentamiento deficiente, un espesor de sección desigual, un enfriamiento inadecuado, un revenido tardío o un control deficiente del horno pueden provocar grietas, cambios dimensionales o una menor vida útil de la herramienta.

Conclusión

El acero para herramientas de endurecimiento al aire funciona porque los elementos de aleación reducen la velocidad crítica de enfriamiento. Esto permite que el acero forme martensita durante el enfriamiento al aire, con aire forzado o con gas.

Su principal valor reside en la estabilidad dimensional. En comparación con el temple en agua o aceite, el endurecimiento al aire reduce las tensiones térmicas, la distorsión y el agrietamiento por temple.

La calidad óptima depende de las condiciones de trabajo. Elija la calidad en función de la resistencia al desgaste, la tenacidad, la dureza en caliente, la carga de impacto, el tamaño de la sección y el riesgo de tratamiento térmico.