Este artículo ofrece un análisis exhaustivo de Acero D2Las propiedades del acero, examinando su composición química y revelando los principios metalúrgicos que determinan su rendimiento. Durante décadas, ha sido un referente en rendimiento, un material de alta resistencia, apreciado por su notable resistencia al desgaste y su capacidad para mantener el filo en tareas exigentes. El acero para herramientas D2 pertenece al grupo D de aceros para herramientas de trabajo en frío, una familia de aleaciones caracterizada por un alto contenido de carbono y cromo.
La composición del acero D2 y sus efectos sobre las propiedades
| Elemento | Contenido (Peso%) | Papel en las propiedades del acero D2 |
| Carbono (C) | 1.40 – 1.60% | Forma carburos duros para resistencia al desgaste, aumenta la dureza. |
| Cromo (Cr) | 11.00 – 13.00% | El desoxidante mejora la templabilidad y la resistencia a la tracción. |
| Molibdeno (Mo) | 0,70 – 1,20% | Elemento principal para la formación de carburo, resistencia al desgaste, templabilidad y cierta resistencia a la corrosión. |
| Vanadio (V) | 0,50 – 1,10% | Mejora la templabilidad, la tenacidad y el endurecimiento secundario. |
| Manganeso (Mn) | 0,10 – 0,60% | Desoxidante, que puede mejorar la templabilidad y la resistencia a la tracción. |
| Silicio (Si) | 0,10 – 0,60% | Desoxidante, fortalece la ferrita. |
Propiedades del acero D2
La interacción entre la composición química, la microestructura y el tratamiento térmico del D2 da como resultado un conjunto distintivo de propiedades de rendimiento. Esta sección ofrece un análisis detallado y basado en datos de cada característica clave.
Resistencia al desgaste y retención de bordes
Su superior resistencia al desgaste proviene de su alto contenido de carbono y cromo, que forman una gran fracción de volumen de carburos de aleación duros y ricos en cromo (M7C3) dentro de una matriz martensítica templada. Estos carburos, junto con el molibdeno y el vanadio, mejoran significativamente la resistencia al desgaste abrasivo y adhesivo.
En cuanto a la retención del filo, el acero D2 ofrece buena tenacidad, especialmente en comparación con aceros de tipo D con alto contenido de carbono, como el D3 y el D7. Existe una desventaja inherente: aumentar la dureza para la resistencia al desgaste generalmente disminuye la tenacidad, y viceversa. Si bien el D2 posee una excelente resistencia al desgaste, se considera moderadamente tenaz y algo frágil. Para aplicaciones que requieren la máxima resistencia al desgaste, el D2 se utiliza a menudo como inserto en una carcasa más tenaz, como el acero H11. La nitruración o los recubrimientos de nitruro de titanio PVD pueden mejorar aún más la resistencia al desgaste del acero D2 sin comprometer su estabilidad dimensional.
Dureza y tenacidad
Los elementos del acero D2 se combinan para formar una gran fracción volumétrica de carburos de aleación duros y ricos en cromo, principalmente del tipo M7C3, dentro de una matriz martensítica revenida. Estos carburos son significativamente más duros que la cementita, lo que contribuye a una resistencia superior al desgaste abrasivo y adhesivo. El acero D2 suele alcanzar una dureza Rockwell C (HRC) de 58-60 para aplicaciones de trabajo normales y hasta 60-62 HRC para usos específicos, como el acuñado de pequeñas piezas de aluminio. Tras la nitruración iónica, su dureza superficial puede alcanzar 750-1200 HV. El tratamiento térmico típico consiste en la austenización a aproximadamente 1010 °C (1850 °F), seguida de temple al aire y doble revenido a temperaturas más altas, como 515 °C (960 °F) y 480 °C (900 °F), lo que puede alcanzar una dureza de 58 HRC y, al mismo tiempo, mejorar la resistencia al desgaste gracias al refinamiento del grano. Para obtener más información sobre la dureza del acero D2, consulte Dureza del acero D2: una resistencia superior al desgaste.
En cuanto a tenacidad, el acero D2 se considera moderado, pero es algo frágil y a menudo presenta baja resistencia al impacto. Esto es una desventaja inherente, ya que aumentar la dureza para mejorar la resistencia al desgaste suele resultar en una disminución de la tenacidad. La baja tenacidad de los aceros para herramientas de trabajo en frío con alto contenido de carbono y cromo, como el D2, se debe a la martensita con alto contenido de carbono y a la presencia de carburos gruesos no disueltos, que pueden actuar como puntos de inicio de la fractura. Si bien el revenido puede aumentar la tenacidad y la plasticidad de la martensita al reducir las tensiones residuales, la transformación de la austenita retenida durante el revenido también puede introducir carburos adicionales, lo que podría aumentar la sensibilidad a la fractura. Se observan mínimos de tenacidad después del revenido a aproximadamente 480 °C (900 °F) debido a la transformación de la austenita retenida. El acero D2 generalmente ofrece una mejor tenacidad en comparación con los aceros de tipo D con alto contenido de carbono, como el D3 y el D7. Para aplicaciones que exigen mayor tenacidad, a menudo se recomienda un grado diferente de acero con una tenacidad inherentemente superior, en lugar de intentar llevar el D2 más allá de sus límites de diseño.
Maquinabilidad y rectificabilidad
El acero D2 presenta importantes desafíos de mecanizado, ya que suele tener una baja calificación de maquinabilidad. Por ejemplo, con un recocido adecuado, el acero D2 alcanza una calificación de maquinabilidad de 45, en comparación con 100 para el acero al carbono 1%. Por otro lado, la maquinabilidad del acero D2 es 60% similar a la del acero para herramientas W1 recocido, o 30-40% similar a la del acero de fácil mecanizado B1112. A pesar de su dificultad para mecanizar, el acero D2 es adecuado para aplicaciones de estampación de series largas. El mecanizado de acero D2 endurecido suele implicar velocidades de corte de entre 80 y 220 m/min y velocidades de avance de entre 0,05 y 0,15 mm/rev, con una profundidad de corte constante de 0,2 mm, al tornear para acabado superficial.
En cuanto a la rectificabilidad, el acero D2 también se describe como difícil de rectificar debido a su alto contenido de cromo, combinado con su mayor contenido de carbono. La rectificabilidad, o la facilidad con la que se puede eliminar el exceso de material utilizando muelas de rectificado estándar, se mide por la relación de rectificado (volumen de metal eliminado por volumen de desgaste de la muela). Esta relación generalmente disminuye a medida que aumenta el contenido de aleación y carbono. La presencia de carburos gruesos no disueltos, como el tipo M7C3 presente en aceros de grado D como el D2, afecta significativamente la resistencia al desgaste abrasivo y la rectificabilidad. Los tamaños de carburo más finos, a menudo obtenidos mediante pulvimetalurgia, pueden mejorar la rectificabilidad.
Resistencia a la corrosión
El acero D2, a pesar de su alto contenido de cromo, generalmente no se considera que tenga la resistencia a la corrosión característica del acero inoxidable. Esto se debe a que gran parte de su cromo se incorpora a carburos de aleación, en lugar de estar disponible para formar una película pasiva protectora continua. Si bien los aceros D2 presentan una excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas y ofrecen una resistencia apreciable a las manchas después del temple y pulido de las herramientas, su resistencia general a la corrosión es limitada. Los procesos de nitruración, que logran una alta dureza superficial en el acero D2, no lo hacen completamente resistente a la corrosión, por lo que serían necesarias adiciones adicionales de cromo para mejorar esta propiedad.
Estabilidad dimensional
El acero para herramientas D2 es reconocido por su relativamente alta estabilidad dimensional durante el tratamiento térmico, en comparación con otros aceros para herramientas. Tras el temple al aire desde la temperatura de endurecimiento adecuada, el acero D2 suele presentar una expansión o contracción de aproximadamente 0,0005 pulgadas por pulgada (0,0005 mm/mm). Sin embargo, factores como la geometría de la pieza y otras distorsiones, como la flexión o la torsión, pueden introducir variaciones. Su alto contenido de carbono y cromo ayuda a minimizar la distorsión de la microestructura durante la formación y fabricación del metal. El factor clave que afecta la estabilidad dimensional del acero D2 es la austenita retenida, que puede alcanzar hasta 20% tras el tratamiento térmico estándar. Esta austenita retenida puede transformarse espontáneamente en martensita no templada a temperatura ambiente, lo que provoca cambios dimensionales posteriores. La implementación de ciclos específicos de tratamiento térmico, como el temple tras mantener la pieza a 345 °C (650 °F) durante una hora, mejora la estabilidad dimensional a temperatura ambiente. El diseño de la pieza también influye profundamente en los niveles de deformación al afectar la uniformidad de la transferencia de calor.
Propiedades mecánicas y físicas del acero D2
| Propiedad | Valor métrico | Valor imperial |
| Densidad | 7,70−7,75 g/cm3 | 0,278−0,280 lb/pulg³ |
| Punto de fusión | 1421℃ | 2590 ℉ |
| Módulo de elasticidad | 190−210 GPa | 27,557−30,457 ksi |
| Relación de Poisson | 0,27−0,30 | 0,27−0,30 |
| Conductividad térmica | 20,0−25,0 W/m⋅K | 11,58−14,5 BTU⋅pulgada/h⋅pie2⋅℉ |
| Capacidad calorífica específica | 460 J/kg⋅K | 0,11 BTU/lb⋅℉ |
| Coeficiente de expansión térmica (20−100∘C) | 10,4×10−6/℃ | 6,4×10−6/℉ |
| Resistencia a la tracción (endurecido) | ≈1800 MPa | ≈261.000 psi |
| Límite elástico (endurecido) | ≈1500 MPa | ≈217.500 psi |
| Dureza (Endurecido, Rockwell C) | 55−62HRC | 55−62HRC |
| Dureza (Recocido, Brinell) | 220−255 HBW | 220−255 HBW |
El efecto del tratamiento térmico sobre las propiedades del acero D2
Las propiedades mecánicas del acero D2 están profundamente influenciadas por su tratamiento térmico, que normalmente implica austenitización, temple y revenido.
- La austenización determina el grado de disolución del carburo, la uniformidad de la estructura austenítica y el tamaño del grano, lo que influye en la templabilidad y las propiedades finales del acero. Temperaturas de austenización más altas conllevan una mayor disolución de los carburos, lo que aumenta el carbono y el cromo en solución sólida, lo que puede reducir las temperaturas Ms (inicio de martensita) y Mf (final de martensita) y aumentar la cantidad de austenita retenida. El sobrecalentamiento o el remojo excesivo durante la austenización pueden dañar la estructura molecular y provocar fragilidad, mientras que una cocción insuficiente resulta en una pérdida de dureza. Se espera que el acero D2 alcance una dureza de 64 HRC después del temple.
- Tras la austenización, el acero D2 se suele templar al aire, aunque también puede utilizarse el temple en aceite. El temple al aire minimiza la distorsión. La velocidad de enfriamiento durante el temple facilita la transformación de la austenita en martensita, el componente más duro de los aceros de baja aleación y un objetivo fundamental para lograr una dureza satisfactoria.
- El revenido es un tratamiento térmico crítico posterior al temple para el acero D2, que se realiza típicamente a temperaturas de 480 °C a 540 °C (900 °F a 1000 °F). Se realiza tan pronto como sea posible después del enfriamiento para reducir las tensiones residuales y prevenir el agrietamiento. El acero D2 a menudo requiere múltiples ciclos de revenido (p. ej., revenido doble o triple). Los tratamientos de revenido múltiples refinan la estructura del grano, mejoran la resistencia al desgaste y proporcionan alivio de tensiones. Significativamente, el revenido reduce la cantidad de austenita retenida, que puede ser tan alta como 20% después del tratamiento térmico estándar, mejorando así la estabilidad dimensional y previniendo la transformación espontánea a martensita sin revenido a temperatura ambiente con el tiempo. Este proceso implica la transformación de carburo épsilon metaestable a cementita y la precipitación de carburos de aleación, lo que resulta en un aumento en la dureza y el volumen, conocido como endurecimiento secundario.
Para conocer los métodos específicos de tratamiento térmico para el acero D2, consulte Cómo tratar térmicamente correctamente el acero D2.
Aplicaciones
Basándose en estas propiedades, D2 es un material ideal para trabajos en frío difíciles que necesitan una alta resistencia al desgaste:
- Muere: Matrices de troquelado, conformado, estampado, embutido, laminado de roscas, extrusión y recorte. Especialmente adecuadas para tiradas largas.
- Golpes: Punzones de perforación, punzones de conformación en frío.
- Cuchillas y cuchillos: Cuchillas de cizalla, cuchillas cortadoras, cuchillos industriales (para papel, madera).
- Rollos: Rodillos formadores, rodillos de costura, rodillos de accionamiento.
- Piezas de desgaste: Calibres, mandriles, centros de torno y ocasionalmente guías o levas, donde se requiere alta resistencia al desgaste.
Conclusión
La composición química del acero D2, con alto contenido de carbono y cromo, y su microestructura única rica en carburos, lo convierten en una opción fiable en talleres industriales y usuarios de herramientas. Ofrece alta resistencia al desgaste, alta dureza y rentabilidad. Sin embargo, sus desventajas son igualmente evidentes: su tenacidad no es especialmente alta, lo que lo hace inadecuado para aplicaciones de alto impacto, y presenta importantes desafíos de mecanizado. En cualquier caso, la propuesta de valor del acero D2 sigue siendo tan sólida hoy como lo fue hace décadas.
