Dominando el tratamiento térmico del acero para herramientas S7: Una guía completa para lograr el máximo rendimiento

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Acero para herramientas S7 El acero S7 es un acero para herramientas resistente a los impactos. Su mayor ventaja es precisamente esa excepcional resistencia. Una característica del acero S7 es su capacidad de endurecimiento al aire. Tras el tratamiento térmico, se endurece mediante enfriamiento natural al aire, sin necesidad de inmersión en aceite o agua. El S7 presenta una excelente estabilidad dimensional durante el mecanizado, resistiendo la deformación y el agrietamiento.

Sin embargo, la calidad superior intrínseca del acero S7 es solo el punto de partida. Para alcanzar su máximo rendimiento, el tratamiento térmico es fundamental. Al igual que los ingredientes de primera calidad requieren una preparación magistral para convertirse en un manjar, el acero S7 debe someterse a un tratamiento térmico adecuado para transformar su microestructura interna. Este proceso proporciona la alta dureza, la gran tenacidad y la excelente resistencia al desgaste que buscamos.

Si el tratamiento térmico no se realiza correctamente, incluso las herramientas fabricadas con acero S7 de la más alta calidad verán comprometido su rendimiento significativamente. El proceso de tratamiento térmico del acero S7 incluye precalentamiento, austenización, temple y varios ciclos de revenido.

Comprensión del acero para herramientas S7: Química y características básicas

Las propiedades excepcionales del acero para herramientas S7 provienen de su composición química, particularmente de la adición de elementos de cromo (Cr) y molibdeno (Mo), que le proporcionan una maquinabilidad y propiedades mecánicas sobresalientes.

Específicamente, su composición química es la siguiente:

• 0,50% Carbono (C): Este contenido medio de carbono es clave para lograr la alta tenacidad del acero S7.
• 3.25% Cromo (Cr): El cromo mejora significativamente la templabilidad del acero (capacidad de endurecerse durante el tratamiento térmico) y la resistencia al desgaste.
• 1.40% Molibdeno (Mo): El molibdeno permite principalmente que el acero S7 conserve su dureza (es decir, una excelente “dureza al calor”) en entornos de alta temperatura.
• 0.25% silicio (Si): Como elemento característico de los aceros resistentes al impacto de la serie S, el silicio se utiliza principalmente para mejorar la tenacidad.

Es precisamente esta combinación de elementos la que dota al acero S7 de varias ventajas fundamentales:

En primer lugar, el acero para herramientas S7 cuenta con la mayor resistencia al impacto entre todos los aceros para herramientas, lo que lo hace excepcionalmente versátil para aplicaciones que van desde matrices para trabajo en frío y matrices para moldeo de plástico hasta matrices para trabajo en caliente de servicio mediano.

En segundo lugar, el acero S7 presenta una estabilidad y seguridad excepcionales durante el proceso de endurecimiento por tratamiento térmico. En comparación con los aceros que requieren temple en aceite o agua, el S7 es menos propenso a agrietarse o a sufrir deformaciones dimensionales durante dicho tratamiento.

Además, el acero S7 presenta una excelente maquinabilidad. Y lo que es más importante, mantiene una mínima pérdida de dureza incluso a temperaturas de funcionamiento de hasta 1000 °F (aproximadamente 540 °C), lo que lo hace totalmente apto para aplicaciones de trabajo en caliente a temperatura media.

Protocolo de tratamiento térmico paso a paso para S7

El proceso final de endurecimiento del acero para herramientas S7 generalmente sigue cuatro pasos fundamentales: precalentamiento, austenización, temple y revenido.

Preparación y recocido

Antes del tratamiento térmico formal, el acero S7 se suministra generalmente recocido. El recocido tiene como objetivo ablandar el acero, facilitando así su mecanizado. Caliente el acero S7 a 843 °C (1550 °F) y manténgalo a esa temperatura durante el tiempo suficiente, según su espesor. Por ejemplo, manténgalo 1,5 horas por pulgada de espesor, o 3,5 minutos por milímetro de espesor. Tras el mantenimiento de la temperatura, enfríe el acero en el horno a una velocidad de 14 °C (25 °F) por hora hasta alcanzar los 482 °C (900 °F). Una vez alcanzada esta temperatura, retírelo del horno y déjelo enfriar a temperatura ambiente al aire. El acero S7 sometido a este proceso completo de recocido no superará una dureza máxima de 230 HB (dureza Brinell), punto en el que se encuentra en su estado más blando, óptimo para el mecanizado.

Tras el desbaste y torneado del acero S7, se recomienda encarecidamente un tratamiento de alivio de tensiones. El objetivo es eliminar las tensiones acumuladas en el material durante el mecanizado, evitando así deformaciones o fisuras inesperadas en la pieza durante los posteriores procesos de temple y endurecimiento a alta temperatura.

Para el material S7 sin templar, el proceso de alivio de tensiones consiste en: calentar lentamente la pieza a 677 °C (1250 °F), mantenerla a esa temperatura según su espesor y, finalmente, enfriarla lentamente a temperatura ambiente. El tiempo de mantenimiento es de 2 horas por pulgada de espesor, o 4,7 minutos por milímetro de espesor.

Precalentamiento

Tras completar los pasos preparatorios como el recocido y el alivio de tensiones, el proceso de endurecimiento del acero S7 entra formalmente en la etapa de precalentamiento. 

Cumple dos propósitos principales: primero, ayudar a liberar las tensiones internas residuales en la pieza de trabajo después de su fabricación o mecanizado; segundo, preajustar la estructura molecular del acero, preparándolo para la fase de transformación austenítica. Caliente el acero S7 a 650 °C (1200 °F) y, tras asegurarse de que toda la pieza de trabajo —desde la superficie hasta el núcleo— haya alcanzado uniformemente esta temperatura, manténgala durante 10 a 15 minutos. Es fundamental evitar mantener la pieza a 650 °C (1200 °F) durante un tiempo prolongado, ya que esto puede desestabilizar la estructura molecular del acero y afectar negativamente el resultado final del tratamiento térmico.

Austenitización

Tras completar el proceso de precalentamiento, el tratamiento térmico del acero S7 entra en su tercera etapa crítica: la austenización, también conocida como fase de endurecimiento. El objetivo es calentar el acero a una temperatura elevada específica, permitiendo que los carburos de aleación presentes en el acero se disuelvan por completo y transformando su estructura interna en una fase austenítica uniforme.

La temperatura de austenización recomendada para el acero para herramientas S7 es de 940 °C (1725 °F). Una vez que la pieza alcanza esta temperatura, se requiere un tiempo de mantenimiento suficiente, el cual debe calcularse con precisión según las dimensiones de su sección transversal. Como regla general, para piezas de más de 25 mm (1 pulgada) de espesor, el tiempo de mantenimiento debe basarse en la dimensión más delgada de la sección transversal, a razón de una hora por pulgada. Para piezas más delgadas, el tiempo requerido se reduce proporcionalmente; por ejemplo, una sección de aproximadamente 3,175 mm (1/8 de pulgada) de espesor puede requerir solo 30 minutos de mantenimiento. El tiempo de mantenimiento debe calcularse únicamente después de que la temperatura interna de la pieza haya alcanzado la temperatura de austenización de 940 °C, igualando la temperatura de la cámara del horno.

Enfriamiento

El cuarto paso en el tratamiento térmico del acero S7 es el temple. Tras completar el mantenimiento de la austenización, el acero debe enfriarse rápidamente para transformar la austenita formada a altas temperaturas en la estructura martensítica extremadamente dura necesaria para la fabricación de herramientas. El acero S7 es un acero para herramientas de endurecimiento al aire, por lo que este es su medio de temple preferido.

Sin embargo, el enfriamiento por aire tiene una velocidad limitada, por lo que existe un límite en el tamaño de la sección transversal para el acero S7 enfriado por aire. Las piezas con un espesor máximo superior a 63 mm (2 1/2 pulgadas) podrían no endurecerse completamente solo con enfriamiento por aire. Para estas piezas grandes o pesadas que exceden el límite de enfriamiento por aire, el método óptimo es el temple interrumpido o el temple rápido en aceite. Sumerja la pieza de acero S7 en aceite y agítela vigorosamente hasta que el calor rojo visible disminuya, aproximadamente a 540 °C (1000 °F). Retire inmediatamente la pieza del aceite y déjela enfriar completamente al aire libre hasta alcanzar los 65 °C (150 °F). Este método garantiza un temple completo de las piezas grandes y minimiza la tensión térmica.

Independientemente del método de temple utilizado, los componentes S7 deben templarse inmediatamente después de enfriarse a 65 °C (150 °F). Esto se debe a que la martensita recién formada se encuentra en un estado de alta tensión, y cualquier retraso en el templado aumenta significativamente el riesgo de fisuración del acero.

Templado

El paso final en el tratamiento térmico del acero S7 es el ciclo de revenido, cuyo objetivo es eliminar las tensiones internas severas generadas durante el temple, mejorar significativamente la tenacidad y ductilidad del acero y promover la estabilidad dimensional de la pieza de trabajo.

El acero S7 requiere un doble revenido. Al ser un acero de endurecimiento al aire, el S7 puede conservar austenita parcialmente sin transformar en su interior tras el primer revenido y enfriamiento. Un segundo revenido garantiza la transformación completa de esta austenita en martensita, maximizando así el rendimiento del acero.

Durante cada ciclo de revenido, el tiempo de permanencia debe calcularse en función del espesor de la pieza, siendo el estándar 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor. Entre los dos ciclos de revenido, la pieza debe enfriarse completamente a temperatura ambiente.

La temperatura de revenido depende de la aplicación final de la pieza:

• Para el trabajo en frío, que requiere alta dureza y tenacidad, el rango típico de temperatura de revenido es de 204 °C (400 °F) a 260 °C (500 °F). El primer revenido se realiza a 230 °C (450 °F), seguido de un segundo revenido a 220 °C (425 °F). El revenido dentro de este rango suele proporcionar una dureza de trabajo de 56 a 58 HRC para el acero S7. Nunca revena el acero S7 por debajo de 204 °C (400 °F).
• Para aplicaciones de trabajo en caliente, se requiere resistencia al calor. Si la pieza debe soportar temperaturas de operación superiores a 540 °C (1000 °F), el rango de temperatura de revenido recomendado debe elevarse a entre 482 °C (900 °F) y 538 °C (1000 °F). En este caso, la temperatura de revenido recomendada debe ser entre 14 °C y 28 °C (25 °F y 50 °F) superior a la temperatura máxima de operación prevista para garantizar la estabilidad de la pieza durante su uso.

Relación entre la dureza y la temperatura de revenido del acero S7¹

Una aplicación típica del S7 son las matrices de estampación en frío, donde se utiliza habitualmente con una dureza de trabajo de 56-60 HRC. Las temperaturas de revenido recomendadas (230 °C y 220 °C) permiten alcanzar niveles de dureza dentro de este rango a partir de una dureza en estado de temple de aproximadamente 60 HRC.

El revenido induce cambios dimensionales. Cuando el acero S7 se revende a 260 °C (500 °F) según la especificación, puede expandirse aproximadamente 0,01524 mm/25 mm (0,0006 pulg./pulg.) a lo largo de la veta y aproximadamente 0,00508 mm/25 mm (0,0002 pulg./pulg.) a lo largo de la veta. Para dimensiones críticas, se recomienda consultar la tabla de cambios dimensionales del revenido para acero S7. La siguiente tabla muestra las curvas de cambio dimensional del acero S7 a diferentes temperaturas de revenido.

Lograr un rendimiento óptimo y controlar la distorsión

Un tratamiento térmico adecuado del acero S7 no solo determina sus propiedades mecánicas finales (como dureza, tenacidad y resistencia al desgaste), sino que también afecta directamente su estabilidad dimensional. La clave de la estabilidad dimensional del S7 reside en su naturaleza de acero de endurecimiento al aire. Al endurecerse al aire desde la temperatura de austenización correcta, el S7 presenta cambios dimensionales predecibles, experimentando típicamente una expansión muy leve de aproximadamente 0,001 pulgadas por pulgada (o 0,001 mm por mm).

Tras el temple y revenido del acero S7, si la pieza requiere posteriormente operaciones severas como acabado, soldadura o mecanizado por descarga eléctrica (EDM), estos procesos introducen nuevas tensiones residuales. Para eliminar estas nuevas tensiones, se recomienda encarecidamente incorporar un proceso de recocido de alivio de tensiones tras dichas operaciones. La temperatura de este recocido debe ser entre 14 °C y 28 °C inferior a la temperatura final de revenido.

Además, cabe reiterar que el doble revenido del acero S7 es obligatorio. La razón principal radica en que, tras el temple y enfriamiento inicial, una porción de austenita sin transformar permanece inevitablemente en el material. El primer revenido y el posterior enfriamiento favorecen la transformación de esta austenita retenida en martensita. El objetivo principal del segundo revenido es templar esta martensita recién formada, liberando así las tensiones residuales en todo el material y garantizando el pleno aprovechamiento de las características de rendimiento del acero.

En resumen, solo controlando adecuadamente el tratamiento térmico del acero para herramientas S7 se puede garantizar su resistencia al impacto. Un fallo en cualquier etapa de este proceso generará tensiones residuales en la pieza, impidiendo que alcance el rendimiento deseado y pudiendo provocar fisuras.

1. Bryson, William E. Tratamiento térmico, selección y aplicación de aceros para herramientas. 2ª ed., Publicaciones Hanser, 2005, pág. 197. ↩︎

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