Principales características del acero de herramientas de alta aleación

A grandes rasgos, el acero se puede clasificar en tres categorías según su composición química:

• Acero al carbono
• Acero de baja aleación con pequeñas cantidades de elementos aleados
• Acero de alta aleación con >6 % de elementos aleados

El acero de herramientas es un acero de alta aleación con gran cantidad de elementos aleados, tales como: cromo, níquel, vanadio, tungsteno o molibdeno. Estos elementos aleados se utilizan para aumentar la resistencia al desgaste, la fuerza o la dureza del acero. Incluso, para otorgarle propiedades específicas, como resistencia térmica o a la corrosión, retención de dureza a temperaturas elevadas o retención de fuerza a temperaturas bajas, etc.

Cómo solventar dificultades en la preparación metalográfica del acero para herramientas de alta aleación

Evitar daños térmicos
Ya que la sensibilidad al tratamiento térmico del acero para herramientas de alta aleación es un criterio de calidad, se debe evitar la influencia térmica durante el corte para garantizar una representación auténtica de la propia microestructura. Al cortar secciones mayores, este paso de preparación se debe realizar con mucho cuidado.

Fig. 2: Daño térmico debido a condiciones de corte erróneas 

Preservar carburos e inclusiones
La principal dificultad durante el esmerilado y pulido del acero para herramientas de alta aleación es garantizar la retención de carburos e inclusiones no metálicas. En acero de herramientas para trabajo en frío, los carburos primarios son de gran tamaño y se rompen con facilidad durante el esmerilado. En condiciones de recocido, los carburos secundarios son muy finos y se pueden desprender fácilmente de la matriz más blanda.

Fig. 3: Carburos primarios con rotura visible (ampliación: 200x) 

Procesamiento de gran volumen de acero de herramientas de alta aleación
Para los equipos de control de calidad que trabajan en la producción de acero de herramientas de alta aleación, procesar un volumen elevado de muestras requiere una organización exhaustiva del flujo de trabajo, equipos automáticos y procedimientos estándar.

Recomendaciones para el esmerilado y pulido de acero de herramientas de alta aleación

Al preparar acero de herramientas de alta aleación para el análisis metalográfico, la forma, el tamaño y la cantidad de carburos deben representarse con precisión. Además, las inclusiones no metálicas deben conservarse en una matriz sin deformar.

• Los volúmenes grandes se procesan mejor con máquinas de esmerilado y pulido totalmente automáticas, ya que se garantiza un flujo de trabajo rápido y eficiente además de resultados reproducibles.
• Los aceros de herramientas son duros. Por consiguiente, el esmerilado fino con diamante es más eficaz y económico que el esmerilado con papel de carburo de silicio.
• A veces, un pulido de óxido final puede ser útil para contrastar e identificar carburos.

Tabla 1: Método de preparación para acero de herramientas de alta aleación en grandes equipos automáticos.
La suspensión de diamante DiaPro se puede sustituir por suspensión de diamante DP P como sigue: En FG con 9 μm, DP 2 con 1 μm usado con lubricante DP azul/verde. 

Tabla 2: Método de preparación para acero de herramientas de alta aleación en equipo semiautomático de mesa.
La suspensión de diamante DiaPro se puede sustituir por suspensión de diamante DP P como sigue: En FG con 9 μm, DP 1 con 3 μm, DP 2 con 1 μm usado con lubricante DP azul/verde.
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Interpretación de microestructuras del acero de herramientas de alta aleación

En general, el acero de alta aleación tiene las mismas fases estructurales que las aleaciones normales de hierro y carbono: ferrita, perlita, martensita y austenita. Sin embargo, la solución sólida puede absorber cierta cantidad de elementos aleados.

Distribución de carbono
El carbono forma carburos complejos con algunos elementos de aleación como: cromo, tungsteno y vanadio. Además, la solubilidad del carbono en el hierro cambia.

• Al añadir elementos de aleación como silicio, cromo, tungsteno, molibdeno o vanadio aumenta el área alfa del diagrama de equilibrio entre el hierro y el carbono.
• Al añadir níquel y manganeso se amplía el área gamma.

Estas características influyen en el diagrama TTT (temperatura, tiempo, transformación de anemia), que es vital en el tratamiento térmico del acero de herramientas de alta aleación.

La distribución homogénea de carburos en el acero de herramientas de alta aleación se puede mejorar mediante un proceso metalúrgico de polvo y el posterior prensado isostático en caliente. El resultado es un acero homogéneo, sin segregación, especialmente indicado para geometrías de herramientas atípicas cuya fabricación mecánica resulta muy cara.


Fig. 7: Distribución de carburos en acero de producción convencional


Fig. 8: Distribución de carburos en acero producido con metalurgia de polvos

Acero de herramientas de alta aleación para trabajo en frío
La estructura primaria del acero de herramientas para trabajo en frío es la ledeburita. Su estructura tosca se transforma mediante enrollado en caliente o forjado en una matriz ferrítica-perlítica con grandes carburos primarios. Le sigue un proceso completo de recocido que ayuda a dar forma a los carburos finos secundarios.


Fig. 9: Acero de herramientas para trabajo en frío tras termoformación inicial, en ligero contraste mediante un breve pulido de óxido final, con grandes carburos primarios en matriz ferrítica-perlítica (ampliación: 200x)


Fig. 10: Acero de herramientas para trabajo en frío tras previo tratamiento térmico, con carburos secundarios finamente dispersos y pequeños carburos blancos (ampliación: 200x)

Acero de herramientas de alta aleación para trabajo en caliente
Acero de herramientas para trabajo en caliente con tratamiento térmico completo, con matriz martensítica templada y perlita globular muy fina. Una composición química irregular puede desencadenar problemas de corrosión. Por lo tanto, es importante que la segregación de la estructura primaria sea lo más homogénea posible durante el tratamiento térmico.


Fig. 11: Acero de herramientas para trabajo en caliente con segregación visible (ampliación: 100x)

Acero en molde de plástico
El acero en molde de plástico es una herramienta resistente a la corrosión que muestra una martensita "amorfa" con carburos antes del tratamiento térmico. Tras el recocido, muestra carburos finamente dispersos.


Fig. 12: Acero en molde de plástico sometido a ataque con reactivo picral al 5 %, martensita amorfa con carburos primarios visibles (ampliación: 100x)


Fig. 13: Acero en molde de plástico tras recocido con carburos finamente dispersos (ampliación: 500x)

DESCARGUE NOTAS DE APLICACIÓN INCLUYENDO MÉTODOS DE PREPARACIÓN

Resumen

La inspección metalográfica, desde la fundición inicial hasta el producto final tratado térmicamente, es esencial para controlar los procesos de producción y tratamiento térmico del acero para herramientas de alta aleación.

Los principales retos de la preparación metalográfica son el tratamiento de muestras de gran volumen y la producción constante de acabados superficiales excelentes. Ya que el tamaño, la forma y la distribución de los carburos e inclusiones son indicadores clave de calidad en el acero de herramientas de alta aleación, es esencial que se mantengan durante la preparación.

• El esmerilado y pulido automático, con el uso de diamante para esmerilado fino y su posterior pulido, ofrece resultados adecuados y reproducibles.
• El uso de un método de preparación adecuado a diferentes tipos de acero de herramientas facilita y hace que el tratamiento sea más eficaz.

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Imágenes de Kelsey Torboli, ingeniero en aplicación, EE. UU.
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