Engrosamiento de carburos en acero para matrices H13 en servicio
Una matriz de trabajo en caliente es resistente porque mantiene una dispersión fina de carburos de aleación. El servicio elimina esa dispersión. Las partículas crecen, la distancia entre ellas se amplía y la resistencia a la fluencia cae con ella. Ese es el ablandamiento que permite que se inicie el agrietamiento por fatiga térmica, y está escrito en los carburos. Esta página expone los tres carburos que importan en un acero de trabajo en caliente de 5 por ciento de cromo, lo que hace cada uno a temperatura, y cómo la temperatura de austenización decide cuánto carburo queda en el acero desde el principio.
Por qué los carburos deciden cómo se ablanda una matriz
El endurecimiento por dispersión mantiene la resistencia a la fluencia de un acero para herramientas a través de la distancia entre las partículas de carburo. Mantenga las partículas pequeñas y bien distribuidas, y la resistencia se mantiene. Déjelas crecer, y la distancia se abre y la resistencia cae. En una matriz de fundición a presión esto es todo el ablandamiento. La temperatura en la superficie es lo suficientemente alta y el tiempo lo suficientemente largo para que los carburos se engrosen, y una vez que se han engrosado la superficie ya no puede soportar la tensión térmica sin ceder. El cromo, el molibdeno y el vanadio frenan el engrosamiento, y lo hacen de maneras diferentes y en grados diferentes.
Tres carburos, tres funciones diferentes
La fuente examinó los carburos en la banda ablandada de una probeta ciclada 15.000 veces y los analizó por espectrometría de dispersión de energía. Los carburos más grandes eran ricos en cromo. Los carburos más pequeños eran ricos en molibdeno. El carburo rico en vanadio no apareció en absoluto, porque mantiene una dispersión demasiado fina para resolverse. Las tres bandas se comportan como predice la química, y la tabla siguiente expone lo que aporta cada una.
| Carburo | De dónde proviene | Cómo se comporta a temperatura | Lo que encontró el EDS |
|---|---|---|---|
| Carburo rico en cromo, Cr7C3 | Del cromo en solución sólida, y detectado a temperaturas de revenido tan bajas como 500 C | El más susceptible de los tres al crecimiento, que es por lo que el acero se ablanda de forma constante entre 500 C y 700 C | Los carburos más grandes en la banda ablandada |
| Carburo rico en molibdeno, M2C o M6C | Precipita durante el revenido, y mantiene su tamaño por encima de 1000 F | Mucho menos sensible al crecimiento que el carburo de cromo, y también frena el crecimiento del carburo de cromo | Los carburos más pequeños en la banda ablandada |
| Carburo rico en vanadio, VC o V4C3 | El más estable de los tres, y el único que resiste la disolución a 1010 C durante una hora | Mantiene una dispersión muy fina incluso a temperaturas cercanas a 700 C | No detectado, porque permanece demasiado fino para resolverse |
Los tres carburos en un acero de trabajo en caliente de 5 por ciento de cromo, la forma en que se forma cada uno, cómo se comporta cada uno a la temperatura de servicio, y cómo apareció cada uno en el análisis EDS de la banda ablandada.
La temperatura de austenización determina cuánto carburo queda en el acero
Antes de que una matriz llegue a funcionar, el tratamiento térmico ya ha determinado cuánto carburo estará disponible para mantener la resistencia. Eleve la temperatura de austenización y más carburo pasa a solución, donde refuerza la matriz y endurece el acero. Llévela demasiado alto y el grano crece, con la pérdida de tenacidad que ello conlleva. La tabla da el carburo no disuelto que queda en el acero en tres condiciones, junto con la dureza alcanzada después del temple. El carburo de vanadio es el terco. Austenizar a 1850 F durante una hora disuelve los carburos de molibdeno y cromo pero deja el carburo de vanadio en su lugar, y se necesita la banda más alta para llevar el resto a solución.
| Condición | Carburo que permanece sin disolver | Dureza después del temple |
|---|---|---|
| Tal como se recuece | Contenido total de carburo de aproximadamente 4,4 por ciento en peso | No aplicable |
| Austenizado a 1850 F durante una hora | Alrededor de 2,3 por ciento en peso, mayormente vanadio con algo de molibdeno | Aproximadamente 59 HRC |
| Austenizado a 1950 a 2000 F | Alrededor de 1,5 por ciento en peso, mayormente carburo de vanadio | Aproximadamente 61 HRC |
Carburo no disuelto y dureza después del temple frente a la condición de austenización para H13. La mayor parte del carburo pasa a solución entre la condición recocida y la temperatura de austenización más baja, y el carburo de vanadio restante necesita la banda más alta.
La ley de engrosamiento detrás de la pérdida de dureza
La velocidad de engrosamiento sigue una ley de difusión, en la que el cubo del radio de partícula crece con el coeficiente de difusión del soluto, la energía interfacial entre partícula y matriz, y el tiempo a temperatura. En un acero donde la cementita y un carburo de aleación se encuentran juntos, la cementita es siempre la más gruesa de los dos y se engrosa más rápido que cualquier carburo de aleación. Entre los carburos de aleación de este grado, el carburo rico en cromo es el más propenso al crecimiento, y la presencia de molibdeno y vanadio lo frena en cierto grado. Debido a que el cromo difunde más rápidamente en ferrita que la mayoría de los elementos de aleación metálicos, el carburo de cromo se detecta desde tan solo 500 C y se engrosa rápidamente en comparación con los carburos de molibdeno y vanadio. Es por eso que un acero de trabajo en caliente al cromo se ablanda de forma constante entre 500 C y 700 C a menos que haya molibdeno para frenarlo, y por lo que el contenido de vanadio vale más para una matriz que su costo.
Qué significa esto en el trabajo
El acero en estos ensayos es H13 de grado premium, el acero cromo para trabajo en caliente cubierto en la página del acero para herramientas H13. El ablandamiento que produce este engrosamiento está en la página de ablandamiento de moldes H13, y la resistencia de la familia a ese ablandamiento en la página de resistencia al ablandamiento en trabajo en caliente. Los tipos de carburo en toda la gama de aceros para herramientas se detallan en la página de tipos de carburo y dureza, la fracción volumétrica de carburo en la página de fracción volumétrica de carburo, y la distribución de carburo a lo largo de una barra en la página de distribución de carburo. La estructura del grado tal como se templa está en la página de microestructura del H13, lo que el acero tiene que soportar en la página de agrietamiento por fatiga térmica, y el diseño de enfriamiento que mantiene baja la temperatura máxima en la página de diseño de la línea de enfriamiento del molde. Cómo se elige un grado para una prensa está en la página de selección de fundición a presión de alta presión.
Antes de usar esto como especificación de aleación
Esta página es un resumen de referencia de un estudio publicado y no es una especificación de Aobo Steel. Las cifras de carburo y las respuestas al tratamiento térmico se reproducen de la fuente, que probó un grado bajo un conjunto de condiciones. Los carburos que lleva un troquel particular también dependen de la ruta de fusión, el análisis y el tratamiento térmico que se le dé. La especificación final se confirma en el trabajo.
Fuente, Effect of Design Factors on Thermal Fatigue Cracking of Die Casting Dies, D. Schwam, J. F. Wallace and S. Birceanu, Case Western Reserve University, informe técnico final al Departamento de Energía de los EE. UU., Award No. DE-FC07-00ID138486, octubre de 2004.