Mecanismos de desgaste en los aceros para herramientas y qué los controla
Un acero para herramientas se desgasta por uno de cuatro mecanismos, y cada uno responde a un conjunto diferente de propiedades del acero. Por eso, cambiar de grado en un troquel que falla por la razón equivocada no cambia nada. Esta página expone los cuatro mecanismos, los factores metalúrgicos que se reporta que influyen en cada uno de ellos, lo que los datos medidos respaldan y lo que no, y las cifras de fricción de interfaz de los procesos de metalurgia en los que el acero para herramientas realiza su trabajo.
Cuatro mecanismos, uno de los cuales está causando el daño
El relato publicado sobre el desgaste del acero para herramientas nombra la abrasión, la adhesión, la corrosión y la fatiga de contacto como los cuatro mecanismos básicos. En la metalurgia llegan juntos, y las proporciones entre ellos son lo que decide la vida útil de la herramienta. La adhesión suele ser el mecanismo limitante de la vida en la conformación en seco, y la lubricación es tan eficaz contra ella que, una vez que el lubricante es el correcto, la abrasión pasa a ser el limitante. Como la mezcla varía según el trabajo, el consejo publicado es seleccionar según la experiencia de producción con la combinación real de acero, lubricante y recubrimiento, y no solo según una tabla de propiedades.
| Mecanismo | Cómo se presenta en la herramienta |
|---|---|
| Abrasión | Una fase dura se frota contra el acero para herramientas. La fase dura puede estar incrustada en la pieza de trabajo, como lo están las inclusiones de óxido en el acero, o puede llegar en un fluido, como el polvo de esmerilado llega a una guía a través del flujo de lubricante o como el contaminante llega a una bomba a través del aceite. |
| Adhesión | El metal se suelda en frío entre la herramienta y la pieza de trabajo donde ocurre el contacto directo, que es donde la película de lubricante se ha roto, donde la presión es alta o donde el proceso no deja espacio para una película. Empeora a medida que disminuye el contenido de oxígeno del entorno, porque no puede formarse ninguna capa de óxido. |
| Corrosión | El deslizamiento expone acero para herramientas fresco, la película de corrosión crece sobre él y la pieza de trabajo luego rompe esa película, dejando al descubierto acero nuevo. Rara vez es la causa principal del desgaste de la herramienta, pero puede volverse la dominante a alta temperatura y en el procesamiento de plásticos. |
| Fatiga de contacto | El deslizamiento o rodamiento repetido de un componente sobre otro descascara la superficie e inicia microfisuras. En una herramienta esto se manifiesta como desportillamiento a lo largo de un filo de corte o de un borde de punzón, más que como una huella de desgaste. |
Los cuatro mecanismos de desgaste de los aceros para herramientas y cómo se presenta cada uno en servicio, resumidos del artículo sobre fricción y desgaste de aceros para herramientas en ASM Handbook, Volumen 18. La fuente señala que estos mecanismos rara vez actúan solos y que el equilibrio entre ellos lo establece el proceso.
Qué influye en el desgaste abrasivo
La abrasión es el mecanismo con la estructura más clara detrás de él. En los aceros para herramientas al carbono, la resistencia a la abrasión está directamente relacionada con la dureza y con el contenido de carbono, y una medición adicional muestra que aumenta linealmente con la fracción volumétrica de cementita, que es la misma afirmación escrita en términos de estructura en lugar de química. Explícitamente, los factores que elevan la resistencia a la abrasión de un acero para herramientas de temple en agua son más carbono, mayor dureza superficial y una mayor fracción volumétrica de cementita, y el primero de ellos impulsa a los otros dos.
Para los grados aleados, un estudio controlado de desgaste abrasivo en seco encontró una buena correlación con un único parámetro estructural: el tamaño de los carburos primarios multiplicado por su fracción volumétrica multiplicado por su dureza. La lectura práctica de ese producto es que el acero para herramientas más resistente a la abrasión tiene una gran fracción volumétrica de carburos grandes y duros. Conlleva dos advertencias. La abrasión rara vez es el único mecanismo en juego, ya que la mayor parte del desgaste en un taller de herramientas es metal contra metal. Y un carburo grande puede arrancarse de la matriz y luego actuar él mismo como abrasivo, lo que es una forma de que un grado altamente aleado se desgaste más rápido de lo que sugiere su contenido de carburos. El sobretemple produce el mismo efecto al ablandar la matriz que sostiene los carburos.
Qué influye en el desgaste adhesivo, y dónde discrepan los datos
La lista publicada de factores metalúrgicos que se reporta que reducen el desgaste adhesivo en los aceros para herramientas incluye mayor dureza en caliente, el comportamiento autolubricante de los grados grafíticos, un tamaño de grano pequeño, una gran fracción volumétrica de carburos primarios y un tamaño pequeño de carburo primario. La mayor parte de esa lista se basa en trabajo empírico, y la fuente es cuidadosa al respecto. Una medición directa de acero para herramientas sin lubricar contra 440C templado y de acero para herramientas contra acero 1020 recocido no encontró correlación entre el desgaste del acero para herramientas y el tamaño de carburo, el contenido de carbono, la fracción volumétrica de carburos, el contenido total de aleación o la dureza, ni tampoco correlación con un parámetro estructural combinado.
La conclusión honesta para un taller de herramientas es que la resistencia a la abrasión puede predecirse a partir de la composición y la estructura, y la resistencia a la adhesión no. Cuando la falla es adhesiva, la respuesta es un ensayo con el par real, y las palancas que cuestan menos probar primero son el lubricante y un tratamiento superficial, ya que ambos actúan directamente sobre el mecanismo en lugar de sobre el volumen del acero.
El caso límite de la adhesión tiene su propio nombre. En el acero rápido utilizado para corte exigente, la temperatura en la punta y en la cratera de desgaste puede acercarse a 700 C, y a esa temperatura el carbono y el cromo difunden fuera del acero para herramientas hacia la viruta. El desgaste con esa severidad se denomina agarrotamiento o engripamiento. Los tres remedios que da la fuente son reducir la velocidad de corte, recubrir la herramienta y mejorar la lubricación y la refrigeración.
La fricción en la interfaz herramienta-pieza de trabajo
La fricción de interfaz es la cantidad que decide cuánto del trabajo se destina al deslizamiento en lugar de a la deformación, y los valores publicados muestran cuán amplio es el rango entre los procesos en los que trabaja el acero para herramientas. En la extrusión en caliente, el coeficiente de fricción va de 0,015 a 0,2, que es toda la dispersión desde una película de vidrio bien lubricada hasta una interfaz casi seca. En el recalcado, que representa la forja, el valor en seco es de aproximadamente 0,2 para aluminio y acero y de aproximadamente 0,1 para cobre y latón, y la lubricación lleva todo el conjunto a la banda de 0,05 a 0,07. En el corte, el coeficiente se reporta entre 0,25 y 0,55 y depende de la pieza de trabajo y del fluido más que de la herramienta, con una lubricación adecuada que reduce la fricción en aproximadamente 60 por ciento al cortar aluminio, aproximadamente 84 por ciento al cortar cobre y aproximadamente 35 por ciento al cortar acero y acero inoxidable.
La temperatura es lo que está detrás de esas cifras. La interfaz herramienta-pieza de trabajo en el corte puede superar los 600 C, lo que ablanda la herramienta y acelera el desgaste, y la fuente registra que solo una refrigeración correcta reduce el desgaste de la herramienta en aproximadamente un tercio. En la forja, la mayoría de los lubricantes orgánicos se descomponen por encima de aproximadamente 200 C, el estearato de aluminio se reporta útil hasta aproximadamente 400 C, y mucho trabajo se realiza por encima de 1000 C, donde solo sobreviven el grafito, los vidrios y los óxidos metálicos como el óxido de cobre.
La selección del lubricante, por lo tanto, sigue al proceso y no al grado, y la práctica publicada puede reducirse a una lista corta. La conformación ligera en prensa de la mayoría de los metales necesita poco más que un aceite mineral ligero o un jabón. La conformación severa de aleaciones base cobre, hierro y níquel necesita aceites minerales de extrema presión que contengan azufre o cloro, o jabón de estearato de zinc, y la conformación en prensa más severa de trabajo base hierro y níquel se realiza con una pieza de trabajo recubierta de fosfato y jabón. El titanio siempre necesita al menos un aceite de extrema presión, pasando a cera o jabón a medida que la conformación se vuelve más difícil. La extrusión de aluminio generalmente se realiza sin ningún lubricante, porque un troquel de puente, araña u ojo de aguja no debe atrapar lubricante en la costura soldada por presión, y la protección contra el agarrotamiento del troquel proviene entonces de mantener el oxígeno alejado del troquel. El óxido de cobre es un buen lubricante y el óxido de latón no lo es, por lo que el latón y las aleaciones duras de cobre se extruyen con vidrio. La forja en caliente funciona con suspensiones de grafito en agua, grasa o aceite, con aserrín, sales de cloruro, talco y mica, todos en uso registrado. El corte utiliza aceites minerales, aceites miscibles en agua, fluidos sintéticos, gases donde se necesita una visión clara del corte y lubricantes sólidos para trabajos de baja velocidad como el roscado a mano y el escariado.
Ajustar el remedio al mecanismo
| Mecanismo | Qué cambia realmente el resultado |
|---|---|
| Abrasión | La dureza a la temperatura de trabajo, el contenido de carbono, la fracción volumétrica de cementita y el tamaño, la fracción volumétrica y la dureza de los carburos primarios tomados en conjunto. Un grado de metalurgia de polvos cambia el tamaño de los carburos, no su tipo. |
| Adhesión | Dureza en caliente, la lubricidad incorporada de los grados grafíticos O6 y A10, tamaño de grano pequeño, una gran fracción volumétrica de carburos primarios y un tamaño pequeño de carburo primario, todo reportado a partir de trabajo empírico. Un recubrimiento o un cambio de lubricante es la palanca práctica. |
| Corrosión | Una lubricación que mantenga cubierta la superficie fresca, un acero para herramientas con mayor cromo, o un recubrimiento que no reaccione con la pieza de trabajo. |
| Fatiga de contacto | Mayor tenacidad y mayor dureza juntas, que se oponen entre sí. Dos formas de aumentar la tenacidad sin tocar la dureza son un grado de metalurgia de polvos, que reduce el tamaño de los carburos, y una temperatura de austenización más baja. |
Los factores metalúrgicos que controlan cada mecanismo de desgaste en el acero para herramientas, de ASM Handbook, Volumen 18. Cuando dos de los factores se oponen entre sí, como lo hacen la dureza y la tenacidad para la fatiga de contacto, la fuente señala que no debe permitirse que elevar uno cree un problema mayor que el que se está resolviendo.
Un punto más pertenece al taller de herramientas y no al acero. La dureza y la tenacidad actúan en direcciones opuestas, por lo que un filo que se desportilla no se cura automáticamente endureciéndolo, y las dos rutas que aumentan la tenacidad sin reducir la dureza son un grado de metalurgia de polvos y una temperatura de temple más baja. El lado de los carburos del mismo argumento se expone en la página de tipos y dureza de carburos en aceros para herramientas, y los volúmenes de carburos medidos en la página de fracciones volumétricas de carburos. Los grados que Aobo Steel mantiene para trabajo limitado por desgaste están agrupados en la página de aceros para herramientas resistentes al desgaste abrasivo.
Grados y existencias
Cuando el desgaste ya ha ocurrido y la pregunta es cuál fue el mecanismo, el patrón superficial es la evidencia y el orden de lectura está en el diagrama de identificación de modos de daño. Cuando la herramienta perdió un fragmento de su filo en lugar de desgastarse, el patrón corresponde a desgaste por impacto y descascarillado. Cuando dos superficies se movieron una contra otra con una amplitud muy pequeña, el mecanismo es fretting y se describe por separado.
En un troquel en lugar de un filo de corte, los mismos cuatro mecanismos se leen a través del proceso, y el mapeo proceso por proceso está en la página de mecanismos de desgaste y falla de troqueles. Cuando la pieza de trabajo es inoxidable y la falla es adhesión en lugar de desgaste, los umbrales medidos están en la página de galling de aceros inoxidables.
Antes de usar estos valores
Esta página es un resumen de referencia de la práctica publicada y no es una especificación de Aobo Steel. Los mecanismos y los valores de fricción se reproducen de la fuente, y la propia fuente advierte que las cifras de fricción dan solo una magnitud aproximada. La respuesta útil para una herramienta específica proviene de la combinación de grado, lubricante y recubrimiento en el trabajo.
Fuente: ASM Handbook, Volume 18, Friction, Lubrication, and Wear Technology, ASM International, 1992.