Selección de acero para herramientas para matrices de encabezado en frío
El encabezado en frío es un proceso de conformado masivo utilizado para producir componentes de gran volumen, como sujetadores, mediante deformación plástica a temperatura ambiente. Las matrices están sometidas a cargas de impacto cíclicas y tensiones de compresión de hasta aproximadamente 2413 MPa (350 ksi).
Aunque se clasifica como un proceso en frío, las temperaturas localizadas en la interfaz matriz-pieza pueden aumentar varios cientos de grados Celsius debido a la energía de deformación y la fricción. Esto afecta la dureza superficial y acelera el desgaste.
En estas condiciones, la falla de la matriz está gobernada principalmente por desgaste abrasivo, agarrotamiento adhesivo y agrietamiento por fatiga. En aplicaciones de alta carga, una tenacidad insuficiente provoca desportillado de bordes o fractura frágil repentina.
Factores de selección
La selección de acero para herramientas para matrices de encabezado en frío está determinada por la interacción entre resistencia al desgaste, tenacidad y resistencia a la compresión.
Se requiere alta dureza superficial para resistir abrasión, adhesión y deformación plástica. En la mayoría de las aplicaciones, la dureza de trabajo varía de 56–62 HRC. Sin embargo, aumentar la dureza reduce la tenacidad, lo que incrementa el riesgo de agrietamiento bajo impacto cíclico.
Como resultado, las matrices de encabezado en frío no se diseñan como componentes con dureza uniforme. En cambio, el rendimiento depende de un gradiente de dureza: una superficie dura y resistente al desgaste respaldada por un núcleo más tenaz que absorbe la tensión de impacto.
Este requisito se logra mediante dos enfoques:
Los aceros de temple superficial desarrollan una superficie dura con un núcleo relativamente tenaz durante el tratamiento térmico. Son adecuados para matrices macizas bajo alto impacto.
Los aceros de temple profundo y alta aleación proporcionan alta dureza uniforme y, por lo tanto, se utilizan como insertos, donde una carcasa exterior más tenaz soporta la carga mecánica.
Por lo tanto, la selección no se basa solo en el material, sino que también depende de si la matriz está diseñada como herramienta maciza o como inserto.
Aceros para herramientas recomendados
Acero para herramientas AISI D2 | 1.2379 | SKD11
El D2 se utiliza en aplicaciones donde el desgaste abrasivo es el mecanismo de falla dominante y la carga de impacto es moderada.
Su alto contenido de carbono y cromo produce un gran volumen de carburos duros, lo que proporciona una fuerte resistencia al desgaste a 58–60 HRC. Sin embargo, su tenacidad relativamente baja lo hace inadecuado para matrices macizas bajo impacto severo.
Por esta razón, el D2 se utiliza típicamente como inserto, donde la estructura circundante de la matriz absorbe la carga.
S1 y S7 (aceros para herramientas resistentes al impacto)
S1 y S7 se seleccionan cuando la fractura inducida por impacto es el modo de falla dominante.
El S7 se usa ampliamente debido a su comportamiento de temple al aire y tenacidad estable. Se utiliza típicamente a 56–58 HRC para reducir el riesgo de agrietamiento inducido por impacto. En comparación con aceros de mayor dureza, proporciona menor resistencia al desgaste pero una resistencia significativamente mayor a la fractura por fatiga.
El S1 se prefiere en matrices con concentración de tensiones, donde debe controlarse la iniciación de grietas.
Estos aceros son adecuados para matrices macizas que operan bajo condiciones de impacto severo, donde el desgaste no es el factor limitante principal.
Acero para herramientas AISI M2 | 1.3343 | SKH51
El M2 se utiliza en aplicaciones de alta carga que implican desgaste severo, alta tensión de contacto o materiales que endurecen por deformación.
Ofrece mayor resistencia a la compresión y resistencia al desgaste que el D2 y se utiliza típicamente a 62–64 HRC. A diferencia de los aceros convencionales para trabajo en frío, el M2 mantiene la dureza a temperaturas elevadas, lo que ayuda a prevenir el ablandamiento superficial y la deformación plástica durante el conformado a alta velocidad.
Debido al costo, el M2 se utiliza principalmente como inserto en zonas críticas de desgaste.
W1 y W2 (aceros para herramientas de temple en agua)
W1 y W2 son aceros de temple superficial utilizados para punzones y matrices macizas bajo alta carga de impacto.
Pueden alcanzar una dureza superficial superior a 60 HRC mientras mantienen un núcleo más tenaz, debido a su templabilidad limitada. Esta estructura permite que la matriz absorba el impacto sin agrietarse.
Sin embargo, el temple en agua introduce un alto riesgo de distorsión y agrietamiento, lo que limita su uso a geometrías simples y secciones más pequeñas.
Tabla resumen
| Grado de acero para herramientas | Dureza típica | Función principal de selección |
|---|---|---|
| W1 / W2 | Superficie: 60+ HRC / Núcleo: 40–50 HRC | Matrices macizas bajo alto impacto con geometría simple |
| S1 / S7 | 56–58 HRC | Las matrices macizas requieren máxima resistencia al impacto y la fatiga |
| D2 | 58–60 HRC | Insertos para aplicaciones dominadas por el desgaste |
| M2 | 62–64 HRC | Insertos para condiciones de alta carga, alto desgaste y ablandamiento térmico |