Selección de acero para herramientas para núcleos e insertos de fundición a presión
Los núcleos e insertos suelen ser los primeros componentes en fallar en las herramientas de fundición a presión. Su vida útil determina directamente la frecuencia del mantenimiento, el costo de las herramientas y el tiempo de inactividad de la producción.
Durante el funcionamiento, el metal fundido entra en la cavidad a presiones de 20 a 150 MPa, llegando en casos extremos a alcanzar los 700 MPa. Simultáneamente, los insertos se someten a un calentamiento superficial rápido seguido de un enfriamiento forzado. Esto genera fuertes gradientes térmicos entre la superficie y el núcleo, lo que provoca repetidas expansiones y contracciones en cada ciclo.
En estas condiciones, la falla se debe a mecanismos identificables en lugar de daños aleatorios. En la producción, los insertos suelen fallar de una de las siguientes maneras:
- Pérdida de material superficial causada por el flujo de fusión a alta velocidad (lavado).
- Adhesión entre la aleación fundida y la superficie de la herramienta (soldadura)
- Redes de grietas superficiales debidas a la tensión térmica cíclica (fisuras por calor)
- Fractura súbita debida a concentración de tensión o choque térmico.
Por lo tanto, la selección del acero para herramientas debe basarse en el modo de fallo que predomina en el proceso, y no en las propiedades generales del material.
Lógica de selección de núcleos
En el caso de los núcleos e insertos de fundición a presión, la selección del material viene determinada por si la falla se debe principalmente al ablandamiento térmico o al agrietamiento.
Si el material pierde resistencia a altas temperaturas, la erosión y la deformación se aceleran.
Si el material carece de tenacidad, se producirán grietas antes de que el desgaste sea relevante.
La calificación correcta se elige identificando el mecanismo de falla principal.
Fatiga térmica (comprobación de calor)
Cuando los insertos fallan por agrietamiento superficial, la causa principal es el estrés térmico cíclico. La superficie se expande con el calor mientras que el interior la restringe, creando esfuerzos repetidos de tracción y compresión.
Los materiales con una microestructura estable a temperaturas elevadas retrasan la aparición de grietas y reducen la velocidad de propagación de las mismas.
Resistencia al calor y al ablandamiento
Si los insertos presentan deformación plástica o desgaste superficial rápido, el factor limitante es la resistencia a altas temperaturas. El material debe conservar su dureza a la temperatura de funcionamiento para resistir la erosión y mantener la estabilidad dimensional.
Esto se vuelve fundamental en condiciones de fundición a alta velocidad o a alta temperatura.
Resistencia a la fractura (tenacidad)
Cuando el fallo se manifiesta como un agrietamiento repentino, especialmente en secciones delgadas o geometrías afiladas, la tenacidad se convierte en el factor determinante.
En este caso, aumentar la dureza suele acelerar la fractura en lugar de solucionarla. La selección de materiales debe orientarse hacia grados con mayor resistencia a la fractura.
Resistencia a la soldadura
En la fundición de aluminio a presión, el aluminio fundido reacciona con el hierro, formando capas intermetálicas. Esto provoca adherencias, desgarros y daños en la superficie durante la eyección.
Este comportamiento está influenciado principalmente por la composición del material base y se agrava bajo exposición a altas temperaturas y ciclos prolongados.
Aceros para herramientas recomendados
H13 (1.2344 / SKD61)
El H13 es la opción estándar para la mayoría de los insertos de fundición a presión porque ofrece una combinación equilibrada de resistencia a la fatiga térmica y tenacidad.
Ofrece un rendimiento fiable bajo ciclos de calentamiento y enfriamiento, y puede funcionar en refrigeración por agua sin agrietarse inmediatamente. Esto lo hace idóneo para la fundición a presión de alto ciclo de aluminio, magnesio y zinc.
El rango de dureza típico es de 46 a 52 HRC, ajustado para equilibrar la resistencia al desgaste y a la fractura.
El material H13 debe considerarse el material de referencia cuando la falla se distribuye entre la degradación superficial y el agrietamiento moderado.
H11 (1.2343 / SKD6)
Se selecciona H11 cuando la falla está dominada por el agrietamiento en lugar del desgaste.
En comparación con el H13, ofrece mayor tenacidad y mejor resistencia a la fractura, lo que lo hace adecuado para núcleos de sección transversal pequeña, transiciones abruptas y geometrías complejas con altas concentraciones de tensión.
En la práctica, cuando los insertos H13 fallan prematuramente debido a grietas, cambiar a H11 suele ser más eficaz que ajustar la dureza o el tratamiento térmico.
El rango de dureza típico es de 42 a 47 HRC, aunque a menudo se ajusta a la baja para mejorar aún más la resistencia a la fractura.
H21 (1,2581)
El H21 se utiliza en entornos de fundición a altas temperaturas, como en el caso de las aleaciones de latón y cobre, donde el ablandamiento térmico se convierte en el principal modo de fallo.
Su alto contenido de tungsteno le permite mantener la dureza a temperaturas elevadas, donde el H13 comenzaría a perder resistencia. Esto reduce significativamente la deformación y el desgaste bajo calor extremo.
Sin embargo, el H21 tiene baja resistencia y es sensible al choque térmico. No es adecuado para sistemas de refrigeración por agua ni para ciclos de funcionamiento rápidos.
El rango de dureza típico es de 40 a 44 HRC.
P20 (1,2311 / 1,2738)
El P20 no se suele utilizar para insertos de fundición a presión de alta carga. Su función es principalmente estructural o está motivada por el coste.
Se utiliza comúnmente en bloques de sujeción, insertos grandes de baja tensión o en aplicaciones de aleación de zinc donde la carga térmica es limitada. Su ventaja radica en la maquinabilidad, la estabilidad dimensional y el menor costo.
La dureza típica es de 28 a 32 HRC (≈300 HB), y las variantes de mayor dureza se utilizan selectivamente en aplicaciones de insertos de baja exigencia.
Resumen de la selección práctica
| Acero para herramientas | Fortaleza clave | Limitación | Cuándo usar |
| H13 | Resistencia a la fatiga térmica y tenacidad equilibradas. | No está optimizado para temperaturas extremas ni concentraciones de estrés severas. | Insertos de fundición a presión de Al/Mg/Zn de uso general |
| H11 | Mayor tenacidad, mejor resistencia al agrietamiento. | Menor resistencia en caliente que H13 | Núcleos pequeños, complejos o sometidos a altas tensiones. |
| H21 | Dureza superior a altas temperaturas | Baja resistencia, sensible al choque térmico | Fundición de latón/cobre con alta carga térmica |
| P20 | Rentable y fácil de mecanizar | Rendimiento limitado a altas temperaturas | Bloques de sujeción o aplicaciones de zinc de baja carga |
Guía para la decisión final
La selección de materiales debe comenzar por analizar cómo fallan los insertos durante la producción.
- Si el fallo se debe principalmente al agrietamiento por calor y a la degradación de la superficie, el H13 ofrece el rendimiento general más estable.
- Si los insertos fallan por agrietamiento, especialmente en secciones delgadas o complejas, cambiar de H13 a H11 suele ser más efectivo que aumentar la dureza.
- Si se produce deformación o erosión a altas temperaturas, será necesario actualizar a H21, siempre que se pueda controlar el choque térmico.
- Si la carga térmica es baja y la prioridad es la reducción de costes, el P20 es suficiente para componentes no críticos.
En Aobo Steel, estos grados se suministran en estado recocido o pretemplado para su adquisición a granel, lo que permite a los distribuidores y fabricantes realizar el mecanizado y el tratamiento térmico final según sus propios requisitos de herramientas.