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¿Qué es el acero de alta velocidad?

El acero rápido para herramientas (HSS) es una aleación compleja a base de hierro diseñada específicamente para el mecanizado de materiales a altas velocidades. Al utilizarse para el mecanizado de metales a alta velocidad, se generan temperaturas elevadas que provocan que el acero común pierda dureza y capacidad de corte. Sin embargo, el acero rápido para herramientas no pierde dureza, incluso al calentarse a temperaturas cercanas al rojo vivo, y mantiene una buena dureza de corte.

Composición y elementos de aleación

Los aceros rápidos para herramientas se componen principalmente de carbono, cromo, vanadio, molibdeno o tungsteno, o combinaciones de estos, y a veces contienen cantidades sustanciales de cobalto. El contenido total de aleación en los aceros rápidos generalmente oscila entre 20% y 40%. Todos los aceros rápidos, ya sean de molibdeno o tungsteno, contienen aproximadamente 4% de cromo. Los diversos elementos de aleación en el acero rápido son los factores clave que determinan su templabilidad, alta resistencia al desgaste, resistencia al ablandamiento térmico y excelente tenacidad, lo que lo hace ideal para operaciones de corte industriales.

Los elementos de aleación clave y sus efectos incluyen:

• Tungsteno (W)La serie T de aceros rápidos (HSS) contiene tungsteno de 12% a 20%, junto con cromo, vanadio y cobalto como otros elementos de aleación principales. El tungsteno es un elemento formador de carburos muy resistente, y su adición sustancial produce grandes volúmenes de carburos de aleación estables a altas temperaturas, lo que aumenta significativamente la resistencia al desgaste y la dureza en caliente. Un grado popular de los primeros tiempos, el 18-4-1 (T1), contiene aproximadamente 18% de tungsteno.
• Molibdeno (Mo)La serie M contiene aproximadamente entre 3,51 TP3T y 101 TP3T de molibdeno, junto con cromo, vanadio, tungsteno y cobalto como otros elementos de aleación. El molibdeno, al igual que el tungsteno, es un excelente formador de carburos y contribuye significativamente a la resistencia al revenido y al mantenimiento de una alta dureza a temperaturas de corte (dureza en rojo). Los aceros con molibdeno suelen ser menos costosos y presentan mayor resistencia a la abrasión y menor deformación durante el tratamiento térmico que los aceros de la serie T.
• Cromo (Cr): Todos los aceros de alta velocidad contienen aproximadamente 4% de cromo. El cromo forma carburos (por ejemplo, M₂₃C₆ y M₇C₃) que se disuelven fácilmente a las temperaturas típicas de tratamiento térmico, lo que favorece la templabilidad. También mejora la resistencia a la oxidación a altas temperaturas de mecanizado.
• Vanadio (V)El contenido de vanadio en el acero rápido varía y, por lo general, cuando aumenta, también aumenta el contenido de carbono. El vanadio es un excelente formador de carburos, creando carburos MC muy duros y resistentes a la abrasión. Un mayor contenido de vanadio proporciona mayor resistencia al desgaste y dureza en caliente. El carburo de vanadio también actúa como agente refinador de grano.
• Cobalto (Co)El cobalto se añade a algunos aceros rápidos para mejorar su capacidad de corte y es un elemento de aleación importante en ciertos aceros de las series T y M. Su efecto principal es aumentar la dureza en caliente, mejorando así la eficiencia de corte cuando se alcanzan altas temperaturas en la herramienta. El cobalto eleva el punto de fusión y puede aumentar las temperaturas de tratamiento térmico. Si bien aumenta la dureza en rojo, la adición de cobalto incrementa ligeramente la fragilidad de los aceros rápidos para herramientas. El cobalto no forma carburos, pero potencia el efecto de endurecimiento por precipitación de otros elementos de aleación.
• Carbono (C)Un alto contenido de carbono es crucial para producir una matriz martensítica dura y formar carburos primarios, lo que proporciona resistencia a la abrasión. El contenido de carbono suele variar entre 0,70% y 1,5%. Los grados con bajo contenido de carbono son más resistentes, mientras que los grados con alto contenido de carbono ofrecen mayor dureza y resistencia al desgaste.
• Nitrógeno (N)El nitrógeno suele estar presente en el acero rápido fundido al aire en cantidades de 0,02% a 0,03%. Aumentar deliberadamente el nitrógeno a 0,04-0,05% con mayor contenido de silicio puede incrementar ligeramente la dureza máxima alcanzable tras el revenido y modificar la morfología del carburo.

Tratamiento térmico

1. Austenitización. Cuando el acero de alta velocidad se calienta a aproximadamente 840 °C, la ferrita se transforma en austenita y algunos carburos de aleación pueden disolverse. Al calentarse a 1120 °C o más, todos los carburos M23C6 se disuelven, y hasta 50% de los carburos M6C y MC también pueden disolverse. Esto disuelve el carbono en la matriz de austenita, proporcionando el contenido necesario de aleación y carbono para la templabilidad, la dureza en caliente y la resistencia al revenido.
2. Temple. Tras la austenización, el acero rápido (HSS) puede enfriarse al aire libre hasta alcanzar una dureza casi máxima, pero a menudo se templa en aceite caliente para una disipación de calor más rápida y una mayor dureza. El temple transforma la mayor parte de la austenita con alto contenido de carbono en martensita, aunque puede conservarse algo de austenita.
3. Templado. La microestructura final tras el revenido consiste principalmente en martensita revenida y carburos duros bien distribuidos. El acero de alta velocidad es un acero de endurecimiento secundario. El revenido múltiple puede convertir la austenita residual en martensita.

Propiedades

1. Dureza. La dureza es la resistencia a la penetración por un indentador de dureza diamantina, medida a temperatura ambiente. El acero rápido típicamente contiene suficiente carbono para permitir el temple hasta 64 HRC. Los aceros rápidos de uso general, como M1 y M7, generalmente se tratan térmicamente a 64-66 HRC, mientras que los aceros rápidos que contienen cobalto generalmente alcanzan 65-67 HRC. Los aceros rápidos superiores, particularmente la serie M40, pueden tratarse térmicamente hasta 70 HRC. M2 se ubica en el grupo de uso general, y su rango de trabajo se representa en el Dureza del acero para herramientas M2 página.
2. Dureza en caliente (dureza roja). Esta es la capacidad del acero para mantener una alta dureza a temperaturas elevadas. Se incrementa principalmente gracias al cobalto, el vanadio y el molibdeno. Las herramientas de acero rápido (HSS) pueden mantener un filo afilado hasta temperaturas de alrededor de 650 °C (1200 °F).
3. Resistencia al desgaste. Esta es la resistencia a la abrasión. Está fuertemente influenciada por la dureza y composición de la matriz, los carburos secundarios precipitados (M2C y MC), y el volumen y la naturaleza de los carburos de aleación en exceso. Generalmente, una mayor dureza conlleva una mayor resistencia al desgaste, especialmente en condiciones de corte abrasivo.
4. Tenacidad. El acero rápido (HSS) generalmente posee buena tenacidad, lo que lo hace eficaz para operaciones de corte industrial. Es notablemente más tenaz que los materiales de carburo, especialmente en aplicaciones de corte intermitente. Sin embargo, una dureza extremadamente alta y un alto contenido de carburo pueden reducir la tenacidad en comparación con otros aceros para herramientas. El HSS metalúrgico en polvo (P/M) ofrece una tenacidad mejorada debido a una distribución uniforme y fina de los carburos.
5. Templabilidad. El acero rápido (HSS) se endurece tan profundamente que casi cualquier sección que se encuentre comercialmente tendrá una dureza uniforme desde el centro hasta la superficie.

Clasificaciones

Aquí utilizamos el Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) clasificación.

1. Serie T (Aceros para herramientas de alta velocidad con tungsteno): Estos aceros contienen entre 12% y 20% de tungsteno y se designan con la letra ‘T’. El T1, también conocido como 18-4-1 (18% W, 4% Cr, 1% V), es un ejemplo clásico. El tipo T1 no contiene molibdeno ni cobalto. Los aceros de tungsteno con base de cobalto abarcan desde el T4 hasta el T15 y contienen diversas cantidades de cobalto.
2. Serie M (Aceros para herramientas de alta velocidad con molibdeno): Estos aceros contienen aproximadamente entre 3,51 TP3T y 101 TP3T de molibdeno y se designan con la letra ‘M’. Los aceros de la serie M suelen ser menos costosos y presentan mayor resistencia a la abrasión y menor deformación durante el tratamiento térmico que los aceros de la serie T. Algunos aceros de molibdeno de uso general comunes son el M1, el M2 y el M7.

Recubrimientos

Los aceros para herramientas de alta velocidad pueden recubrirse con nitruro de titanio, carburo de titanio y otros recubrimientos mediante deposición física de vapor (PVD) para mejorar su rendimiento y prolongar su vida útil. La PVD se prefiere al antiguo proceso de deposición química de vapor (CVD) para los aceros de alta velocidad porque opera a temperaturas más bajas y elimina la necesidad de un tratamiento térmico posterior.

Aplicaciones

Los aceros para herramientas de alta velocidad se utilizan ampliamente para los tipos más comunes de herramientas de corte. Estos incluyen:

• Herramientas de torno de un solo punto (brocas, herramientas de corte, plaquitas).
• Brocas, escariadores, machos de roscar, fresas, fresas de extremo, fresas madre, sierras y brochas.
• Herramientas para cortes profundos o mecanizado de alta velocidad.
• Herramientas de formulario.
• Troqueles para conformado en caliente, troquelado de precisión y otras aplicaciones de conformado en caliente y en frío.
• Aplicaciones de rodamientos (por ejemplo, rodamientos aeroespaciales).
• Componentes estructurales sometidos a altas cargas y altas temperaturas.
• Herramientas especiales que requieren propiedades específicas, como el brochado de estrías evolventes en piezas en bruto de engranajes de transmisión de camiones.

Preguntas frecuentes