Por qué se desgastan y fallan los troqueles

Un troquel se descarta por una de nueve razones

El relato publicado sobre el desgaste de troqueles y moldes separa las formas en que se pierde una herramienta en nueve mecanismos. Tres de ellos, el desgaste adhesivo, el desgaste abrasivo y el desgaste erosivo, aparecen en la mayoría de los procesos de conformado en alguna proporción. Los seis restantes terminan la vida del troquel por agrietamiento, reblandecimiento o una sobrecarga que nunca fue un fenómeno de desgaste. Un taller de troqueles que trate todo troquel desgastado como un problema de desgaste abrasivo cambiará el grado y no verá mejora, porque el mecanismo nunca fue abrasión.

Mecanismos de desgaste y falla de troqueles y moldes y los procesos asociados a cada uno, resumidos del artículo sobre fricción y desgaste de troqueles y materiales de troquel en ASM Handbook, Volumen 18. La fuente señala que los tres primeros son comunes a la mayoría de los procesos de conformado, y que la erosión más que la abrasión es el mecanismo principal de pérdida en la fundición a presión.

Dos de estos merecen mención por sí mismos. La fatiga térmica, que en el taller se llama agrietamiento térmico, es la razón individual más común de desecho de un troquel de fundición a presión, y la sigue de cerca el soldado, la adhesión del metal de colada a la superficie del troquel. En la forja en caliente el agrietamiento térmico es la segunda razón de rechazo de un troquel, por detrás del desgaste abrasivo. Ambos llegan como una red de finas grietas en la superficie de trabajo y no como un cambio medible de dimensión, por lo que ninguno aparece en el registro de mantenimiento como desgaste.

Qué decide el agrietamiento térmico

Una grieta térmica es una grieta por fatiga de bajo ciclo impulsada por la amplitud de deformación de cada ciclo térmico, que la fija la oscilación de temperatura en la superficie del troquel y no la carga. Las propiedades que la resisten son un bajo coeficiente de expansión térmica, alta conductividad térmica, alta resistencia a la fluencia en caliente, resistencia al reblandecimiento por revenido, alta resistencia a la fluencia y suficiente ductilidad para absorber la deformación sin agrietarse. Todo acero para troqueles con estructura martensítica, bainítica o ferrítica tiene aproximadamente el mismo coeficiente de expansión, por lo que ese término es una constante entre los grados que normalmente compra un taller de troqueles. Las estructuras austeníticas son unas 50 por ciento mayores y por esa razón no son material de fundición a presión.

La palanca práctica es la propia oscilación de temperatura. Una comparación publicada de los dos extremos de esa oscilación muestra que bajar la temperatura máxima de superficie en 100 C prolonga la vida de iniciación de grietas mucho más que subir la temperatura mínima del cuerpo en esos mismos 100 C, y la razón es que el máximo fija la amplitud de deformación. La temperatura máxima se puede reducir pulverizando un lubricante que aísle además de lubricar, bajando la temperatura de la pieza, o en forja manteniendo el troquel precalentado para que la oscilación parta de un piso más alto. Mantener el máximo por debajo de la temperatura Ac1 también evita el cambio de volumen de un ciclo de reaustenización y reendurecimiento en la superficie, que añade deformación de transformación sobre la deformación térmica.

La limpieza y el tamaño de grano intervienen en la iniciación de grietas. Un acero refinado para eliminar inclusiones resiste el inicio de una grieta térmica porque las inclusiones son donde nace la grieta, y un grano más fino rinde mejor por la misma razón. Un acero para troqueles química y estructuralmente uniforme tiene propiedades térmicas uniformes, por lo que no genera deformación interna a partir de su propia segregación, que es el argumento a favor de los bloques de troquel refundidos por arco al vacío en trabajos de larga duración. El consejo de recalentamiento para el taller es breve. Nitrurar después del revenido final, nunca antes, y revenir por encima de la temperatura de nitruración.

La temperatura de servicio fija la familia de material

Antes de seleccionar el grado hay una pregunta más simple. Las bandas publicadas de temperatura de servicio para materiales de troquel en forja separan las cuatro familias en unos 200 a 300 C en cada escalón, y son la razón por la que un bloque de troquel de baja aleación no puede llevarse a una operación de prensa que un grado para trabajo en caliente sí resistiría.

Temperatura de servicio típica de los materiales de troquel en forja, reproducida de ASM Handbook, Volumen 18. Las bandas se solapan porque el techo útil de un grado depende de cuánto tiempo pasa a temperatura y de la dureza a la que se revenido.

Por encima de la banda de trabajo en caliente las alternativas dejan de ser acero para herramientas. Los grados maraging alcanzan dos a dos veces y media la tenacidad de un acero para trabajo en caliente al cromo a la misma dureza y resisten el agrietamiento térmico al menos igual de bien, pero su resistencia al desgaste es baja y el paso de recubrimiento o nitruración es lo que los hace económicos. Los troqueles fundidos en H12, H13, H19, H21, H26 y H42 mantienen la dureza en caliente y la resistencia al desgaste por encima de sus equivalentes forjados y son menos propensos a agrietarse en esquinas agudas, y se ha reportado experiencia de planta de más de 50 por ciento más de vida, pero el costo del patrón solo vale la pena cuando se sacan al menos tres piezas de un molde. Las superaleaciones base níquel mantienen resistencia hasta 760 a 925 C y pertenecen a la forja isotérmica, donde un acero para troqueles no puede operar en absoluto.

Vida normal de un troquel de fundición a presión, y qué la termina

La fundición a presión es el caso más claro de un proceso en el que el mecanismo dominante lo fija el metal fundido y no el acero para troqueles. Las coladas base de zinc, aluminio y cobre se sitúan en regímenes de temperatura y químicos distintos, y la vida normal tabulada sigue la temperatura de colada y no ninguna propiedad del troquel.

Factores limitantes de la vida útil de los moldes de fundición a presión, reproducidos del ASM Handbook, Volumen 18. Las cifras de vida útil están en miles de ciclos. El núcleo de un molde para aluminio o latón cede antes que la cavidad porque opera a mayor temperatura y está rodeado de metal fundido en más caras.

El acero para trabajo en caliente no se recomienda para fundir zinc salvo en producciones largas, y los grados de molde preendurecidos lo manejan a una dureza de trabajo típica de 29 a 34 HRC. El aluminio y el magnesio toman H11 y H13 a aproximadamente 44 a 48 HRC. Las aleaciones de cobre toman los grados de trabajo en caliente con tungsteno H20, H21 y H22 a 38 a 45 HRC, y la razón es la temperatura de colada más que la dureza, porque un baño de latón a alrededor de 1000 C supera la resistencia al revenido de un acero con 5 por ciento de cromo. El lado de stock y grado de esa elección se expone en la página de fundición a presión de zinc y magnesio, y el caso de H13 en por qué H13 es el grado para fundición a presión.

La erosión en un molde de fundición a presión es el desgaste del material del molde por el chorro de metal fundido entrante, y los resultados publicados la reducen a tres afirmaciones. La temperatura del baño es la variable individual más fuerte, por lo que el baño debe operarse lo más frío que permita la pieza. La diferencia entre los grados comunes de trabajo en caliente no es significativa, por lo que cambiar de grado no compra resistencia a la erosión. El tercer hallazgo es el útil, que los bloques de molde endurecidos y revenidos pierden menos material que los recocidos blandos y que si se puede evitar el contacto metálico entre el acero y el baño, por ejemplo manteniendo intacta una película de óxido, el riesgo de ataque severo cae bruscamente. Por eso ayuda una superficie nitrurada, y también por eso una capa nitrurada en un molde de fundición a presión no debe exceder 0.13 mm, ya que una capa más profunda se desprende en las líneas de partición y bordes afilados y la picadura desprendida desgarra la pieza al expulsarla.

El desgaste abrasivo es lo que controla la vida útil de los moldes de forja en caliente

En la forja, la cantidad de material del molde removido por abrasión es proporcional a la presión de interfaz y a la cantidad de deslizamiento relativo, e inversamente proporcional a la dureza de la superficie del molde. Debido a que un molde de forja real tiene presión y deslizamiento variables de punto a punto, el trabajo publicado se basa en ensayos simulativos, y los resultados son lo suficientemente consistentes como para citarlos.

El contenido de aleación es la variable más fuerte del material del molde. Una serie controlada de once aceros para moldes revenidos a casi la misma dureza encontró que la buena resistencia al desgaste aparece una vez que el contenido total de aleación supera aproximadamente el 3 por ciento, que el molibdeno tiene un efecto particularmente fuerte, y que por encima de aproximadamente 2 por ciento de molibdeno no hay ganancia adicional. La efectividad relativa de los elementos formadores de carburos a temperaturas de molde entre 250 y 550 C se da en la proporción 2 a 5 a 10 a 40 para cromo, tungsteno, molibdeno y vanadio, lo que hace que el vanadio y sus carburos sean ocho veces más efectivos que el tungsteno y sus carburos. Una segunda clasificación de tungsteno, molibdeno y vanadio solos da 10 a 20 a 40. La lectura práctica es que un grado de trabajo en caliente con alto vanadio se desgasta mediblemente menos que un grado de cromo simple de la misma dureza.

La dureza por sí sola funciona, pero no por igual en todo el campo. La dependencia de la tasa de desgaste con la dureza es más pronunciada para los aceros para moldes de baja aleación, por lo que aumentar la dureza de trabajo de un bloque de molde de baja aleación vale la pena, y más plana para los grados de trabajo en caliente cuya resistencia al desgaste proviene principalmente de sus carburos de aleación. La estructura también importa. Un molde endurecido isotérmicamente a bainita inferior dura más que el mismo acero templado y revenido a la misma dureza, y la explicación publicada es que el tratamiento isotérmico deja menos tensiones internas y microfisuras para iniciar una falla abrasiva. Una comparación de moldes de conformado de bridas hace concreto el efecto del grado. M4 y D7 trabajando a 65 HRC dieron más del doble de vida que D2 a 61 HRC en acero inoxidable 17-7 PH, y un molde de 4140 que fue nitrurado dio aproximadamente ocho veces la vida del mismo molde sin nitrurar.

Tres variables de proceso mueven el desgaste del molde tanto como el acero. La temperatura de la pieza tiene un pico, con el desgaste aumentando hasta aproximadamente 1100 C y cayendo de nuevo por encima, porque la formación de cascarilla aumenta con la temperatura y luego la tensión de fluencia de la pieza cae lo suficiente para reducir la presión de interfaz. La cascarilla es la segunda, y la fuente estima que un mal control de cascarilla puede costar 200 por ciento de la vida del molde, que es el argumento para una atmósfera de horno controlada, un recubrimiento anti-cascarilla o calentamiento por inducción con el tiempo a temperatura mantenido corto. La lubricación es la tercera y se comporta de una manera que sorprende a primera lectura. En un ensayo de recalcado abierto un molde lubricado se desgasta más que uno seco, porque el lubricante permite que la pieza se deslice más. Calculado contra igual flujo de metal pasado por un punto, la misma lubricación redujo el desgaste por un factor de tres.

Donde el molde está limitado por abrasión los remedios son finitos y se pueden enumerar. Pasar a un acero para trabajo en caliente más altamente aleado y aceptar el costo de material y mecanizado, o nitrurarlo, lo que la fuente reporta que reduce las tasas de desgaste hasta la mitad. Reducir la cascarilla. Rediseñar el bloqueador para que ocurra más compresión y menos flujo lateral en la impresión de acabado. Un recubrimiento duro ayudará solo mientras permanezca adherido, porque un recubrimiento que se agrieta en servicio desprende fragmentos que luego abrasionan el molde más rápido de lo que se habría desgastado la superficie sin recubrir. El lado de dureza del mismo argumento se recoge en la tabla de dureza en caliente, y el lado de fisuración térmica en la página de grados resistentes a la fatiga térmica.

Gripado y adherencia en moldes de conformado de chapa metálica

Los moldes de conformado de chapa se desgastan en proporción a la distancia que se desliza la chapa para una presión de contacto dada, por lo que el material delgado recocido es el caso más leve y el material grueso endurecido es el peor. El gripado es la falla que detiene la producción. Proviene del calor por fricción entre el molde y la chapa que ablanda la superficie del molde, por lo que la resistencia al ablandamiento bajo calor es la propiedad que clasifica los grados, y los remedios publicados se derivan de eso.

Medidas contra el gripado y la adherencia en moldes de conformado de chapa metálica, del ASM Handbook, Volumen 18. La fuente registra que la cantidad de desgaste en un radio de molde puede variar por un factor de veinte entre el radio más afilado y el más generoso, lo que hace del diseño del radio lo primero que hay que verificar cuando un molde que funcionaba empieza a agarrarse.

Un detalle vale la pena repetir porque es una especificación que el comprador puede escribir. El recubrimiento de cromo duro resiste mejor el gripado cuando el sustrato debajo es más duro que 50 HRC, cuando el recubrimiento tiene entre 0.005 y 0.01 mm de espesor, y cuando la pieza recubierta se mantiene a 150 a 205 C durante al menos tres horas inmediatamente después del recubrimiento para eliminar el hidrógeno. Un recubrimiento más grueso que eso en un molde se desprende en lugar de desgastarse. En trabajo de acero inoxidable y alto níquel el orden de preferencia publicado para el anillo de estirado es bronce de aluminio primero, luego D2, D3 o D4 rectificados suavemente, nitrurados y pulidos, y luego hierro fundido aleado templado y revenido a 400 a 420 HB.

Grados y existencias

Los mecanismos anteriores deciden qué grupo de grados examinar, y la clasificación del grupo en sí está en la tabla de propiedades del acero para herramientas. El rango de trabajo en caliente que abarca matrices de forja en caliente, extrusión y fundición a presión se enumera en la página de matrices de forja en caliente, estampado y recorte. Cuando la matriz ya ha fallado y el mecanismo no es evidente a partir del patrón de desgaste, el orden de lectura está en la página de análisis de fallas de herramientas y troqueles.

Dos mecanismos vecinos se cubren por separado. Cuando el daño es un patrón de contusión superficial por pequeño movimiento oscilante en lugar de una marca de desgaste por deslizamiento, el diagnóstico está en la página de desgaste por fretting. Cuando la herramienta perdió un fragmento de su filo en lugar de desgastarse, el patrón corresponde a desgaste por impacto y descascarillado. Cuando la pregunta es qué hacer con una matriz que se agarrota y se pega en lugar de desgastarse, el lado de las calidades está en la página de calidades resistentes al desgaste adhesivo.

Fuente: ASM Handbook, Volume 18, Friction, Lubrication, and Wear Technology, ASM International, 1992.