¿Por qué se deforma el acero para herramientas D2 durante el tratamiento térmico?
Esta página es parte de la Guía de análisis de fallas y solución de problemas del acero para herramientas D2, que examina los modos de fallo comunes del acero para herramientas D2 en entornos de herramientas para trabajo en frío.
La deformación durante el tratamiento térmico es uno de los problemas dimensionales más comunes en las herramientas de acero D2. Si bien el D2 es un acero de endurecimiento al aire conocido por su relativa buena estabilidad dimensional, pueden producirse movimientos significativos durante el ciclo de endurecimiento.
En la práctica industrial, los punzones, matrices y herramientas de precisión suelen mecanizarse con dimensiones cercanas a las finales antes del tratamiento térmico para reducir los costos de rectificado y acabado. Cuando se produce una distorsión, puede provocar imprecisiones dimensionales, problemas de montaje y costosos retrabajos.
Entre los grados equivalentes de D2 se incluyen DIN 1.2379 y JIS SKD11, y los mecanismos que se analizan en este artículo se aplican igualmente a estos materiales.
¿Por qué se produce la deformación en el acero para herramientas D2?
La deformación producida por el tratamiento térmico en los aceros para herramientas generalmente se presenta de dos formas: deformación dimensional y deformación de la forma.
La distorsión de tamaño se refiere a la expansión o contracción volumétrica uniforme sin alterar la geometría general del componente. La distorsión de forma —comúnmente descrita como alabeo, flexión o torsión— modifica la geometría de la herramienta aunque el volumen total permanezca prácticamente inalterado.
En el acero para herramientas D2, la distorsión durante el tratamiento térmico suele ser el resultado de tres mecanismos que interactúan entre sí:
- Liberación de las tensiones residuales introducidas durante el forjado, el mecanizado o el rectificado.
- Tensiones térmicas causadas por gradientes de temperatura dentro del componente durante el calentamiento o el enfriamiento.
- Cambios de volumen asociados a las transformaciones de fase durante el proceso de austenización y posterior enfriamiento del acero.
Factores metalúrgicos que provocan la distorsión
El comportamiento metalúrgico del acero para herramientas D2 influye notablemente en el cambio dimensional durante el endurecimiento.
Tensiones de transformación y cambios de volumen
Cuando el acero D2 recocido se calienta a la temperatura de austenización, la microestructura se transforma de ferrita cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a austenita cúbica centrada en las caras (FCC). Debido a que la austenita está más densamente empaquetada, el acero experimenta una ligera contracción durante el calentamiento.
Durante el temple, la austenita se transforma en martensita, que posee una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La transformación martensítica produce una expansión de volumen, generando tensiones internas en todo el componente.
Si estas tensiones se distribuyen de forma desigual en la pieza, puede producirse una distorsión dimensional.
El papel de la austenita retenida
Debido a su alto contenido de carbono y aleación, el D2 rara vez se transforma completamente en martensita durante el temple. Es común que, tras un tratamiento térmico convencional, se conserven niveles de austenita retenida de hasta aproximadamente 20%.
La austenita retenida mantiene la estructura FCC densa y compensa parcialmente la expansión martensítica. Cuando se utilizan temperaturas de austenización excesivamente altas, una mayor disolución de los carburos primarios enriquece la austenita con carbono y cromo. Esto reduce la temperatura de inicio de la martensita (Ms) e incrementa significativamente la austenita retenida.
Los altos niveles de austenita retenida pueden provocar:
- contracción dimensional aparente después del enfriamiento
- inestabilidad dimensional durante el servicio
- Transformación retardada a martensita durante el revenido o el envejecimiento.
Esta transformación retardada puede producir un crecimiento dimensional gradual o, en casos graves, agrietamiento en las herramientas de precisión.
Anisotropía y refuerzos de carburo
El acero para herramientas D2 también puede presentar cambios dimensionales direccionales debido a la distribución de los carburos de aleación. Durante el forjado o el laminado, los carburos pueden alargarse formando filamentos alineados con la dirección de trabajo del acero.
Como resultado, los cambios dimensionales durante el tratamiento térmico pueden variar según la orientación. En muchos casos, el material D2 tiende a expandirse más en la dirección de laminación y a contraerse en las direcciones transversales. Este comportamiento anisotrópico puede contribuir a la distorsión en componentes largos o asimétricos.
Factores del proceso que pueden causar distorsión
Si bien las transformaciones metalúrgicas determinan el cambio de volumen fundamental del acero, la práctica del tratamiento térmico suele determinar si se produce una distorsión grave.
Tasas de calefacción
Cuando un componente frío se introduce en un horno caliente, la superficie exterior se calienta y se expande mucho más rápido que el núcleo. Esta diferencia de temperatura genera tensiones térmicas en la sección transversal de la pieza.
A medida que aumenta la temperatura, la resistencia a la fluencia del acero disminuye significativamente. Si las tensiones térmicas superan la resistencia a la fluencia reducida a temperaturas elevadas, el material puede sufrir deformación plástica, lo que provoca una distorsión permanente.
Esfuerzos de mecanizado y trabajo en frío
Las tensiones residuales generadas durante el mecanizado en bruto, el aserrado o el rectificado pueden quedar atrapadas en la pieza. Durante el calentamiento, la disminución del límite elástico permite que estas tensiones se liberen.
Esta liberación de estrés suele manifestarse de la siguiente manera:
- doblando
- reverencia
- retortijón
Este tipo de distorsión es particularmente común en componentes de herramientas largos, delgados o asimétricos.
Refrigeración no uniforme y geometría de la pieza
Aunque el acero D2 se clasifica como un acero de endurecimiento al aire, un enfriamiento desigual aún puede generar tensiones de transformación.
Componentes con:
- esquinas afiladas
- grandes diferencias en el espesor de la sección
- geometría asimétrica
El acero para herramientas D2 puede enfriarse y transformarse a ritmos diferentes. Las secciones delgadas pueden transformarse en martensita antes y expandirse, mientras que las secciones más gruesas permanecen calientes y austeníticas. Esta diferencia en el tiempo de transformación puede generar tensiones internas que provocan la deformación del acero.
Métodos prácticos para reducir la distorsión
Alivio del estrés
Las tensiones residuales generadas durante el desbaste deben eliminarse antes del endurecimiento. Esto se suele lograr calentando el acero a 649-677 °C (1200-1250 °F), manteniendo la temperatura y enfriándolo lentamente. Cualquier variación dimensional que se produzca durante esta etapa puede corregirse durante el acabado.
Precalentamiento controlado
Antes de alcanzar la temperatura de austenización de aproximadamente 1850 °F (1010 °C), el acero D2 debe precalentarse. Mantener el acero a unos 1200 °F (650 °C) durante 10 a 15 minutos permite que la temperatura del núcleo y la superficie se igualen, reduciendo los gradientes térmicos y disminuyendo el riesgo de deformación durante el calentamiento posterior.
Refrigeración uniforme
Generalmente se prefiere el enfriamiento por aire o el enfriamiento controlado con gas para el D2, ya que un enfriamiento más lento y uniforme reduce el choque térmico. Un soporte adecuado de los componentes durante el enfriamiento también puede ayudar a prevenir la deformación o el pandeo a altas temperaturas.
Templado para estabilidad dimensional
El acero D2 debe templarse inmediatamente una vez que la pieza se enfríe a aproximadamente 65 °C (150 °F). El doble templado, generalmente a temperaturas entre 480 y 515 °C (900 y 960 °F), se utiliza ampliamente para estabilizar la microestructura y reducir la austenita retenida. Esto mejora la predictibilidad dimensional en la fabricación de herramientas de precisión.
Tratamientos bajo cero
Para calibres o herramientas de precisión que requieren una estabilidad dimensional extremadamente alta, se puede utilizar un tratamiento a temperaturas bajo cero. Enfriar el acero a aproximadamente -85 °C (-120 °F) o menos favorece la transformación de la austenita retenida en martensita, lo que ayuda a reducir la variación dimensional a largo plazo.
Conclusión
La deformación que se produce durante el tratamiento térmico del acero para herramientas D2 se debe a una combinación de tensiones térmicas, tensiones residuales de procesos de fabricación previos y cambios volumétricos durante la transformación martensítica. La presencia de austenita retenida y la estructura direccional de carburos del D2 influyen aún más en su comportamiento dimensional.
Un alivio de tensiones adecuado antes del endurecimiento, un calentamiento y enfriamiento controlados y prácticas de revenido apropiadas mejoran significativamente la estabilidad dimensional. Cuando estos factores se manejan correctamente, Acero para herramientas D2 Puede mantener la precisión dimensional requerida para las herramientas de trabajo en frío de alta precisión, al tiempo que ofrece su reconocida resistencia al desgaste.
Páginas relacionadas
- Guía de tratamiento térmico del acero para herramientas D2
- Control de distorsión del acero para herramientas D2
- Grieta en el acero para herramientas D2 tras el tratamiento térmico.
Preguntas frecuentes
La deformación se debe principalmente a la liberación de tensiones residuales derivadas del mecanizado, a las tensiones térmicas causadas por los gradientes de temperatura y a los cambios de volumen durante las transformaciones de fase.
La distorsión de tamaño es un cambio uniforme en el volumen sin alterar la geometría de la herramienta. La distorsión de forma, como la deformación o la torsión, cambia la geometría aunque el volumen total permanezca igual.
El acero se contrae al calentarse y transformarse en austenita. Durante el temple, se expande al transformarse en martensita, lo que puede provocar deformaciones si las tensiones internas no se distribuyen uniformemente.
La austenita retenida mantiene una estructura densa que puede provocar una aparente contracción tras el temple. También puede dar lugar a una transformación martensítica retardada, lo que resulta en un crecimiento dimensional gradual o en la aparición de grietas.
Esto se debe a la anisotropía causada por las vetas de carburo alineadas durante el forjado o laminado. El material D2 generalmente se expande más en la dirección de laminado y se contrae en las direcciones transversales.
Sí. Si la superficie se calienta más rápido que el núcleo, las tensiones térmicas pueden superar el límite elástico reducido del acero, lo que provoca deformación plástica permanente y distorsión.
Las piezas asimétricas o con espesores variables se enfrían a ritmos diferentes. Esto genera una deformación irregular y tensiones internas que pueden provocar alabeo.
El alivio de tensiones elimina las tensiones residuales del mecanizado en bruto a bajas temperaturas. Esto permite corregir cualquier desajuste dimensional durante el mecanizado de acabado, antes del tratamiento térmico final.