Selección de aceros para herramientas en matrices y punzones para trabajo en frío
Las matrices y punzones para trabajo en frío se utilizan en operaciones como troquelado, cizallado, doblado, trefilado y extrusión, en las que la deformación se produce por debajo de la temperatura de recristalización del material. Aunque el proceso se realiza a temperaturas relativamente bajas, el calentamiento localizado en la superficie de la herramienta puede alcanzar los 200 °C debido a la deformación plástica y la fricción.
En estas aplicaciones, los efectos térmicos son secundarios. La falla de la herramienta se debe principalmente a la carga mecánica, incluyendo esfuerzos de compresión muy elevados —hasta 2413 MPa (350 ksi) en la extrusión directa— combinados con impactos y contactos deslizantes repetidos. Como resultado, los modos de falla predominantes son el desgaste abrasivo, el desgaste adhesivo (agarrotamiento), el astillamiento de los bordes y la fisuración por fatiga. Por lo tanto, la selección del material debe basarse en el mecanismo de falla principal, en lugar de en requisitos generales de dureza.
Factores de selección
La selección del acero para herramientas en aplicaciones de trabajo en frío se define por la relación entre la resistencia al desgaste y la tenacidad.
Una mayor dureza mejora la resistencia a la abrasión y a la deformación plástica, pero reduce la tenacidad, aumentando el riesgo de astillamiento o fractura frágil bajo impacto o concentración de tensión. El equilibrio adecuado depende de cómo falle la herramienta durante su uso.
- Las aplicaciones dominadas por el contacto deslizante y las largas series de producción requieren una mayor resistencia al desgaste.
- Las aplicaciones que implican impacto, interrupción o concentración de tensión requieren una mayor resistencia.
Para herramientas con geometrías complejas o tolerancias dimensionales estrictas, la respuesta al tratamiento térmico se convierte en una limitación práctica. En estos casos, se prefieren los aceros de temple al aire, ya que reducen el riesgo de deformación y agrietamiento en comparación con el temple en líquido.
No se debe maximizar la dureza sin tener en cuenta el modo de fallo. Debe seleccionarse para controlar el desgaste o la fractura, según cuál limite la vida útil de la herramienta.
Aceros para herramientas recomendados
Acero para herramientas AISI A2 | 1.2363 | SKD12
El acero A2 es adecuado para aplicaciones donde no predominan ni el desgaste severo ni los impactos fuertes. Se utiliza comúnmente en operaciones de conformado y troquelado de series medias donde se requiere un equilibrio entre resistencia al desgaste y tenacidad.
Su característica de endurecimiento al aire minimiza la deformación durante el tratamiento térmico, lo que lo hace idóneo para herramientas con requisitos dimensionales más estrictos. Con una dureza de 58 a 62 HRC, el acero A2 ofrece una resistencia al desgaste moderada con una tenacidad significativamente superior a la de los aceros con alto contenido de carbono y cromo.
A menudo se elige A2 cuando D2 proporciona una fragilidad excesiva, pero aún se requiere una mayor resistencia al desgaste que O1.
Acero para herramientas AISI D2 | 1.2379 | SKD11
El acero D2 se elige cuando el desgaste abrasivo es el principal factor limitante. Su alto contenido de carbono y cromo produce un gran volumen de carburos duros, lo que le confiere una gran resistencia al desgaste y a la deformación plástica.
Ofrece un buen rendimiento en operaciones de troquelado de larga duración, embutición profunda y otras operaciones de alta fricción. Sin embargo, su baja tenacidad lo hace inadecuado para aplicaciones con cargas de impacto o concentraciones de tensión pronunciadas. El astillamiento de los bordes es un modo de fallo común si se aplica fuera de su rango adecuado.
Debe evitarse el uso de D2 en aplicaciones de punzonado o en condiciones de corte intermitente donde el riesgo de fractura sea elevado.
Acero para herramientas AISI O1 | 1.2510 | SKS3
El acero O1 se utiliza en series cortas o aplicaciones menos exigentes donde se priorizan el costo y la maquinabilidad sobre la vida útil de la herramienta y la estabilidad dimensional.
Ofrece una resistencia al desgaste y una tenacidad adecuadas para geometrías sencillas y cargas moderadas, generalmente entre 58 y 60 HRC. Sin embargo, el temple en aceite aumenta el riesgo de deformación y agrietamiento en comparación con los aceros de endurecimiento al aire, lo que limita su uso en herramientas de precisión.
Por lo general, el O1 no es adecuado para series de producción largas ni para aplicaciones en las que la precisión dimensional tras el tratamiento térmico sea fundamental.
S7 (Acero para herramientas resistente a los golpes)
El acero S7 se selecciona cuando la fractura o rotura es el principal riesgo de fallo. Su menor contenido de carbono le permite mantener una alta tenacidad y resistencia al agrietamiento ante impactos repetidos.
Se utiliza habitualmente en punzones de alta resistencia, cuchillas de corte y herramientas sometidas a cargas de choque cíclicas. Su dureza típica es de 54 a 58 HRC, un valor intencionadamente inferior para mejorar la resistencia al impacto.
El acero S7 debe utilizarse cuando otros aceros fallan por astillamiento o fractura catastrófica. No es adecuado para aplicaciones de alto desgaste, a menos que este sea secundario a un impacto.
M2 (Acero de alta velocidad con molibdeno)
El M2 se utiliza en condiciones de trabajo en frío extremas donde se requiere tanto resistencia a la compresión como resistencia al desgaste, como por ejemplo en punzones de extrusión en frío.
Su alto contenido en aleación proporciona una gran resistencia a la deformación y la abrasión a altos niveles de dureza (60-65 HRC). Para aplicaciones de trabajo en frío, el tratamiento térmico suele ajustarse para lograr una dureza ligeramente menor, con el fin de mejorar la tenacidad y reducir el riesgo de fractura.
El acero M2 se suele utilizar cuando la falla de la herramienta conlleva un alto costo y los aceros estándar para trabajo en frío no pueden proporcionar suficiente resistencia o durabilidad.
Tabla de resumen
| Grado de acero para herramientas | Dureza típica | Ventaja primaria | Aplicación ideal |
| A2 | 58–62 HRC | Resistencia al desgaste y tenacidad equilibradas | Conformado y troquelado general |
| D2 | 58–62 HRC | Alta resistencia al desgaste y resistencia a la compresión. | Producción a largo plazo y embutición profunda |
| O1 | 58–60 HRC | Bajo costo y buena maquinabilidad | Troqueles para tiradas cortas y herramientas sencillas |
| S7 | 54–58 HRC | Alta resistencia al impacto | Punzones y cuchillas de corte de alta resistencia |
| M2 | 60–65 HRC | Alta resistencia y resistencia al desgaste. | Extrusión en frío y utillaje de alta tensión |