Herramienta de acero
El acero para herramientas se refiere a una variedad de aceros al carbono y aleados que son particularmente adecuados para convertirse en herramientas (punzones, matrices, moldes, herramientas para cortar, cortar, moldear, estirar, dirigir y cortar herramientas). Su idoneidad proviene de su distintiva dureza , resistencia a la abrasión y deformación, y su capacidad para sostener un filo a temperaturas elevadas. Con un contenido de carbono entre 0,5% y 1,5%, los aceros para herramientas se fabrican en condiciones cuidadosamente controladas para producir la calidad requerida. La presencia de carburos en su matriz juega un papel dominante en las cualidades del acero para herramientas.
Generalmente se agrupan en dos clases:
- Aceros al carbono simples que contienen un alto porcentaje de carbono, aproximadamente 0,80-1,50%
- Aceros para herramientas de aleación, en los que se agregan otros elementos (cromo, molibdeno, vanadio, tungsteno y cobalto) para proporcionar mayor resistencia, tenacidad, corrosión y resistencia al calor del acero.
Uno de los subgrupos de aceros para herramientas son los aceros de alta velocidad (HSS), que fueron nombrados principalmente por su capacidad para mecanizar y cortar materiales a altas velocidades (alta dureza en caliente). Se utiliza a menudo en hojas de sierras eléctricas y brocas. Este grupo de aceros para herramientas se describe en un artículo separado.
Acero de alta velocidad
Los aceros de alta velocidad, abreviados como HSS, son una clase especializada de aceros para herramientas que fueron nombrados principalmente por su capacidad para mecanizar y cortar materiales a altas velocidades (alta dureza en caliente). Se utiliza a menudo en hojas de sierras eléctricas y brocas. El acero de alta velocidad es superior a las antiguas herramientas de acero con alto contenido de carbono en el sentido de que puede soportar temperaturas más altas sin perder su temple (dureza). Los aceros de alta velocidad son aleaciones complejas a base de hierro de carbono, cromo, vanadio, molibdeno o tungsteno, o combinaciones de los mismos. Para lograr un buen rendimiento de corte del HSS, se debe proporcionar una respuesta de endurecimiento adecuada en el tratamiento térmico.
Para el rendimiento de los aceros de alta velocidad, es fundamental la respuesta de endurecimiento que se logra durante el proceso de tratamiento térmico. Los elementos de aleación se introducen en cantidades dadas por la aplicación pretendida y por su función en el proceso de tratamiento térmico, ya sea para aumentar la temperatura de solidus o inhibir el crecimiento de precipitados de endurecimiento secundario, permitiendo una temperatura de operación más alta.
Agentes de aleación en aceros de alta velocidad y para herramientas
El hierro puro es demasiado blando para ser utilizado con fines de estructura, pero la adición de pequeñas cantidades de otros elementos (carbono, manganeso o silicio, por ejemplo) aumenta en gran medida su resistencia mecánica. El efecto sinérgico de los elementos de aleación y el tratamiento térmico produce una enorme variedad de microestructuras y propiedades. Los cuatro principales elementos de aleación que forman carburos en los aceros de alta velocidad son: tungsteno, cromo, vanadio y molibdeno. Estos elementos de aleación se combinan con el carbono para formar compuestos de carburo muy duros y resistentes al desgaste. La microestructura de los aceros rápidos consiste en una matriz martensítica con una dispersión de dos juegos de carburos. Estos carburos se conocen generalmente como carburos primarios y secundarios. Los carburos primarios son los carburos formados durante la solidificación del acero. Los carburos secundarios son los carburos formados durante el tratamiento térmico de endurecimiento secundario de los aceros.
- Tungsteno. Produce carburos estables y refina el tamaño de grano para aumentar la dureza, particularmente a altas temperaturas. El tungsteno se utiliza ampliamente en aceros para herramientas de alta velocidad y se ha propuesto como sustituto del molibdeno en aceros ferríticos de activación reducida para aplicaciones nucleares. La adición de aproximadamente un 10% de tungsteno y molibdeno en total maximiza de manera eficiente la dureza y tenacidad de los aceros de alta velocidad y mantiene esas propiedades a las altas temperaturas generadas al cortar metales. El tungsteno y el molibdeno son intercambiables a nivel atómico y ambos promueven la resistencia al templado, lo que proporciona un mejor rendimiento de corte de la herramienta a temperaturas más altas.
- Cromo. El cromo aumenta la dureza, la fuerza y la resistencia a la corrosión. El efecto de fortalecimiento de la formación de carburos metálicos estables en los límites de los granos y el fuerte aumento de la resistencia a la corrosión hicieron del cromo un importante material de aleación para el acero. En términos generales, la concentración especificada para la mayoría de los grados es aproximadamente del 4%. Este nivel parece resultar en el mejor equilibrio entre dureza y tenacidad. El cromo juega un papel importante en el mecanismo de endurecimiento y se considera insustituible. A temperaturas más altas, el cromo contribuye a una mayor resistencia. Normalmente se utiliza para aplicaciones de esta naturaleza junto con el molibdeno.
- Molibdeno. El molibdeno (aproximadamente 0,50-8,00%) cuando se agrega a un acero para herramientas lo hace más resistente a las altas temperaturas. El molibdeno aumenta la templabilidad y la resistencia, particularmente a altas temperaturas debido al alto punto de fusión del molibdeno. El molibdeno es único en la medida en que aumenta la resistencia a la tracción y a la fluencia a alta temperatura del acero. Retrasa la transformación de austenita en perlita mucho más que la transformación de austenita en bainita; por tanto, la bainita se puede producir mediante el enfriamiento continuo de aceros que contienen molibdeno.
- Vanadio. El vanadio generalmente se agrega al acero para inhibir el crecimiento de granos durante el tratamiento térmico. Al controlar el crecimiento del grano, mejora tanto la resistencia como la tenacidad de los aceros templados y revenido. El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura. Se agrega vanadio para promover la resistencia a la abrasión y para producir carburos duros y estables que, al ser solo parcialmente solubles, liberan poco carbono en la matriz.
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