P/M H13 comparado con H13 convencional, propiedades y fatiga térmica
El H13 es el grado para trabajo en caliente del que se fabrican la mayoría de los moldes, y es el grado en el que la ruta pulvimetalúrgica es más fácil de justificar, porque un molde para trabajo en caliente no falla por desgaste. Falla por fisuración, y la fisura comienza donde el acero no es uniforme. Esta página pone los valores publicados para el H13 P/M y el H13 convencional uno al lado del otro en los cuatro aspectos que le importan al comprador de moldes: cuán uniforme es la dureza en una sección grande, cuánto se mueve la pieza en el tratamiento térmico, cuáles son las propiedades de impacto y tracción a temperatura ambiente y a 538 °C, y cuántos ciclos térmicos soporta cada uno antes de que se inicie una fisura.
Por qué la uniformidad es todo el argumento para un molde de trabajo en caliente
Un lingote de H13 convencional se segrega al solidificarse, y la laminación convierte esa segregación en bandas. Las bandas son visibles en una micrografía y también son visibles en servicio, porque la fisura que se inicia en un molde de trabajo en caliente corre a lo largo de la banda débil un poco más en cada ciclo. La ruta pulvimetalúrgica elimina el bandeado en su origen. Una colada se atomiza en polvo, cada partícula solidifica por su cuenta, y el polvo se consolida mediante prensado isostático en caliente, de modo que no hay último líquido rico en aleación y nada que la segregación pueda seguir. Las cuatro tablas siguientes son las mediciones realizadas para mostrar cuánto vale eso.
Dureza en una sección de 152 mm
A ambos productos se les dio el mismo tratamiento térmico y luego se midió la dureza a intervalos de 1.6 mm en toda la sección. Los dos promedios son cercanos, 47.5 a 48.1 HRC para el producto P/M frente a 46.0 a 47.7 HRC para el convencional. Lo que los separa es la dispersión. La sección P/M varía 0.6 HRC en 152 mm, la sección convencional varía 1.7 HRC en 127 mm, y un molde que no es uniforme en dureza no se desgasta de manera uniforme.
Tabla 8. Dureza del H13 convencional y P/M
| Producto | Tamaño de sección, mm | Tamaño de sección, in. | Dureza a intervalos de 1.6 mm (1/16 in.) en toda la sección, HRC |
|---|---|---|---|
| H13 P/M | 152 | 6 redondo | 47.5-48.1 |
| H13 | 127 | 5 redondo | 46.0-47.7 |
Source, ASM Handbook Vol.1, article P/M Tool Steels, Table 8. (a) Preheated at 816 °C (1500 °F), austenitized at 1010 °C (1850 °F) for 1 h, air cooled, tempered at 593 °C (1100 °F) for 2 + 2 h.
Cambio dimensional en el temple y el revenido
El cambio de tamaño es donde los dos productos se comportan de manera más diferente, y la tabla se lee con claridad una vez que se entienden las columnas. Los valores están en unidades de 0.0001 in./in., por lo que +6 es seis diezmilésimas de pulgada por pulgada. El material P/M da la misma cifra en las tres direcciones, +6, +6 y +6, que es lo que hace un material isótropo y lo que desea un taller de moldes, porque entonces puede predecir el crecimiento de una cavidad con un solo número en lugar de tres. El material convencional no lo hace. El redondo de 127 mm da -5 longitudinalmente y +14 a través del espesor, y el bloque de 152 por 406 mm da -1 longitudinalmente frente a +7 a través del espesor en una posición y -2 frente a +17 en otra. Un molde que crece 17 unidades en una dirección y se contrae 2 unidades en la otra tiene que cortarse sobredimensionado en una dirección que el taller de herramientas debe calcular para cada trabajo.
Tabla 9. Cambio de tamaño del H13 convencional y P/M después del tratamiento térmico, 0.0001 in./in.
| Producto | Tamaño de sección, mm | Tamaño de sección, in. | Ubicación de la probeta | Dirección longitudinal | Ancho transversal | Espesor transversal |
|---|---|---|---|---|---|---|
| H13 P/M | 152 | 6 redondo | Centro del borde | +6 | +6 | +6 |
| H13 P/M | 152 | 6 redondo | Centro del borde | +6 | +6 | +6 |
| H13 | 127 | 5 redondo | Radio medio | -5 | +8 | +14 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | Centro del borde | -1 | +4 | +7 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | Centro del borde | -2 | +6 | +17 |
Fuente, ASM Handbook Vol.1, artículo P/M Tool Steels, Tabla 9. (a) Mismo tratamiento térmico que la Tabla 8. La fuente imprime la ubicación de la probeta una vez para los dos conjuntos de mediciones que presenta debajo, por lo que las dos filas que comparten una ubicación repiten esa etiqueta.
Propiedades de impacto y tracción a 21 y 538 °C
Esta es la tabla que hay que leer antes de suponer que la ruta pulvimetalúrgica es mejor en todo. A ambas temperaturas de ensayo el producto P/M es uniforme, lo que se manifiesta como resultados idénticos para las probetas longitudinales y transversales y para las posiciones de borde y centro. El H13 convencional no es uniforme, y la dispersión es grande. En la probeta transversal a temperatura ambiente el material convencional cae a 4 J frente a 13.6 J longitudinal, y la reducción de área baja de 43 a 24 por ciento. El producto P/M mantiene 13.6 J y 42 por ciento en ambas direcciones. La resistencia a la tracción y el límite elástico son efectivamente iguales entre los dos, por lo que el comprador no paga aquí por resistencia, solo por la independencia de dirección y por la ausencia de una orientación transversal débil.
Tabla 10. Propiedades de impacto y tracción del H13 convencional y P/M
| Producto | Tamaño de sección, mm | Tamaño de sección, in. | Probeta | Charpy entalla en V, J | Charpy entalla en V, ft·lbf | Límite elástico al 0.2%, MPa | Límite elástico al 0.2%, ksi | Tracción, MPa | Tracción, ksi | Alargamiento, % | Reducción de área, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ensayado a 21 °C (70 °F) | |||||||||||
| H13 P/M | 152 | 6 redondo | A | 13.6 | 10 | 1407 | 204 | 1682 | 244 | 11 | 42 |
| H13 P/M | 152 | 6 redondo | B | 13.6 | 10 | 1407 | 204 | 1682 | 244 | 11 | 42 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | C | 13.6 | 10 | 1413 | 205 | 1696 | 246 | 12 | 43 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | D | 4 | 3 | 1400 | 203 | 1669 | 242 | 9 | 24 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | E | 12.2 | 9 | — | — | — | — | — | — |
| Ensayado a 538 °C (1000 °F) | |||||||||||
| H13 P/M | 152 | 6 redondo | A | 24.4 | 18 | 945 | 137 | 1213 | 176 | 17 | 51 |
| H13 P/M | 152 | 6 redondo | B | 24.4 | 18 | 945 | 137 | 1213 | 176 | 17 | 51 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | C | 24.4 | 18 | 910 | 132 | 1200 | 174 | 17 | 53 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | D | 16.3 | 12 | 924 | 134 | 1213 | 176 | 14 | 42 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | E | 40.7 | 30 | — | — | — | — | — | — |
Fuente, ASM Handbook Vol.1, artículo P/M Tool Steels, Tabla 10. (a) Mismo tratamiento térmico que la Tabla 8. (b) Ubicaciones de las probetas: A longitudinal, B transversal, C centro longitudinal, D borde transversal, E borde longitudinal. Un guion significa que la fuente no indica ningún valor.
Vida a la fatiga térmica
El ensayo de fatiga térmica es el que se corresponde con el servicio del molde, porque reproduce el ciclo que vive un molde de trabajo en caliente: las probetas se sumergieron alternativamente en plomo fundido a 621 °C (1150 °F) y agua a 93 °C (200 °F) tres veces por minuto, y se contaron los ciclos hasta la iniciación de la fisura. El H13 P/M alcanzó 9000 ciclos frente a 6000 del producto convencional, una mejora del 50 por ciento, y esa cifra es la consecuencia directa de las dos tablas anteriores. El mismo mecanismo es visible en el único ensayo de campo que reporta la fuente, donde un punzón CPM H19V en una operación de forja en caliente produjo 1700 a 4500 piezas entre fallas, mientras que el H13 convencional promedió 900.
Tabla 11. Resistencia a la fatiga térmica del H13 convencional y del H13 P/M, ciclos promedio hasta la iniciación de grietas
| Producto | Tamaño de sección, mm | Tamaño de sección, in. | Ciclos promedio hasta la iniciación de grietas |
|---|---|---|---|
| H13 P/M | 152 | 6 redondo | 9000 |
| H13 | 152 × 406 | 6 × 16 | 6000 |
Source, ASM Handbook Vol.1, article P/M Tool Steels, Table 11. (a) Same heat treatment as Table 8. Test condition, alternate immersion in molten lead at 621 °C (1150 °F) and water at 93 °C (200 °F), three cycles per minute.
¿Estos valores ya existen en el acero convencional?
El H13 convencional está disponible en mejores clases de segregación, y la fuente establece la comparación de forma explícita. El H13 convencional de calidad premium se funde con límites más estrictos y sí reduce las bandas, por lo que se sitúa entre el H13 convencional estándar y el H13 P/M, en lugar de estar en el extremo inferior del grupo. Donde la ruta por pulvimetalurgia sigue ganando es en el extremo de mayor sección del rango y en herramientas donde el modo de falla es una grieta que sigue una banda, porque el paso de consolidación P/M elimina las bandas por completo en lugar de reducirlas. Para un inserto pequeño en servicio moderado, el grado convencional premium suele ser la opción más económica, y el premium de polvo aporta poco.
Dónde pedir a partir de aquí
La composición de los grados P/M para trabajo en caliente, incluidos CPM H13, CPM H19 y CPM H19V, está en la tabla de composición del acero para herramientas P/M, y los datos de resistencia al desgaste, energía de impacto y tamaño de carburos de toda la familia P/M están en la página de propiedades de aceros para herramientas P/M. Los datos del grado H13 convencional están en la Propiedades del acero H13 página, el ciclo está en la tratamiento térmico H13 página, y las velocidades de enfriamiento que debe alcanzar el temple están en la página de temple y velocidades de enfriamiento del H13 . Aobo Steel suministra H13 en barra y placa forjadas y laminadas en caliente, con el certificado de colada que acompaña al pedido.
Fuente: ASM Handbook, Vol 1, Properties and Selection: Irons, Steels and High-Performance Alloys.