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

¿Qué es el acero para herramientas de temple al aire?

Los aceros para herramientas de temple 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 temple al aire. A2, A6, y A7 son ejemplos típicos.

En la selección práctica de aceros para herramientas, el comportamiento de temple al aire también aparece fuera de la serie A. D2, H13, S7, M2 y muchos otros aceros para herramientas de alta aleación también pueden endurecerse mediante enfriamiento al aire, aire forzado o gas. El punto común es la alta templabilidad.

La templabilidad es la capacidad del acero de endurecerse a través de su sección durante el temple. En el acero para herramientas de temple al aire, la alta templabilidad permite que el acero se endurezca sin temple en agua o aceite.

¿Cómo funciona el acero para herramientas de temple al aire?

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

Los aceros al carbono simples necesitan una alta velocidad crítica de enfriamiento. Deben enfriarse muy rápidamente para evitar la formación de perlita, por lo que aceros de temple en agua necesitan un temple severo.

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

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

Por qué el temple al aire reduce la distorsión y el agrietamiento

La distorsión proviene principalmente del enfriamiento desigual y la transformación desigual.

En el temple en agua o aceite, la superficie se enfría mucho más rápido que el núcleo. La superficie se contrae primero, mientras el interior permanece caliente y expandido. Esto crea tensión térmica. Si la tensión se vuelve demasiado alta, la herramienta puede deformarse o agrietarse.

La formación de martensita también crea tensión porque el acero se expande durante la transformación. En un temple severo, la superficie puede convertirse en martensita dura mientras el núcleo aún es austenita caliente. Cuando el núcleo se transforma y expande después, empuja contra la superficie ya endurecida. Esto puede causar agrietamiento o distorsión severa.

El temple 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 ocurre de manera más uniforme en toda la sección. Esto da a los aceros para herramientas de temple al aire mejor estabilidad dimensional y mayor seguridad durante el temple.

Acero para herramientas de temple al aire vs temple en aceite vs temple en agua

Los aceros para herramientas de temple en agua, temple en aceite y temple al aire difieren principalmente en contenido de aleación, templabilidad, severidad del temple y estabilidad dimensional.

Los aceros de temple al aire generalmente se seleccionan cuando la estabilidad dimensional, el temple profundo o un menor riesgo de agrietamiento importan más que el costo de la materia prima.

Grados comunes de acero para herramientas de temple al aire

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

Consideraciones de tratamiento térmico para acero de herramienta de temple al aire

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

La temperatura exacta depende del grado. A2, D2, H13, S7 y M2 no comparten un mismo programa de tratamiento térmico. Un acero de trabajo en frío, un acero de trabajo en caliente y un acero rápido requieren condiciones diferentes de temple y revenido.

La protección de la superficie también es importante. Muchos grados de temple al aire utilizan temperaturas de austenización elevadas. Una atmósfera deficiente del horno puede causar descarburización, dejando una capa superficial blanda. Los hornos de vacío, las atmósferas controladas, los baños de sal 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 dejar austenita inestable después del temple. Múltiples ciclos de revenido, y a veces tratamiento criogénico, ayudan a estabilizar la estructura antes del servicio.

¿Cuándo debe elegir acero de herramienta de temple al aire?

Elija acero de herramienta de temple al aire cuando la herramienta necesite alta dureza con mínima distorsión por tratamiento térmico. Es especialmente útil cuando la forma de la herramienta hace riesgoso el temple en agua o aceite.

Limitaciones del acero de herramienta de temple al aire

El acero de herramienta de temple al aire tiene ventajas claras, pero también tiene límites.

La primera limitación es la maquinabilidad. El alto contenido de aleación y los carburos duros hacen que muchos aceros de temple al aire sean más difíciles de mecanizar y rectificar. Los aceros de la serie A suelen ser menos mecanizables que los aceros de temple en agua. El D2 es más difícil debido a su alto volumen de carburos.

La segunda limitación es el costo. El cromo, molibdeno, vanadio, tungsteno y otros elementos de aleación aumentan el costo de la materia prima. Los grados de temple al aire suelen costar más que los aceros simples de la serie W o de la serie O.

La tercera limitación es el tamaño de sección. Los aceros de temple al aire son de temple profundo, pero el aire todavía tiene límites. Las secciones muy grandes pueden requerir aire forzado, temple 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 generalmente no es adecuada para los aceros de herramienta de temple al aire. El enfriamiento al aire desde alta temperatura puede endurecer el acero a martensita frágil. Cuando se necesita ablandamiento, estos aceros normalmente requieren recocido completo en lugar de normalización.

El temple al aire tampoco significa distorsión cero. El calentamiento deficiente, el espesor de sección desigual, el enfriamiento inadecuado, el revenido retrasado o el control deficiente del horno aún pueden causar grietas, cambios dimensionales o reducción de la vida útil de la herramienta.