Tratamientos Térmicos al Alto Vacío BALITHERM ®

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Causas de falla de las herramientas Los eventos mas frecuentes que causan deterioros de las herramientas son los siguientes: Desgaste

Fractura localizada por concentración de esfuerzos Deformación plástica

Fractura por fatiga o carga excesiva

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Fallas debidas a la concentración de esfuerzos

Los ángulos de las herramientas se deforman o se rompen. Los fenómenos de deterioro son: ruptura subital, fisuración progresiva o fractura y desprendimientos localizados Hace falta tenacidad. Propiedades requeridas Tenacidad Localización propiedad Núcleo Acción sobre Acero + Tratamiento térmico Pagina 3

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Fallas debidas a la deformación plástica

La presión sobre la herramienta es demasiado alta: la resistencia del material base es demasiado baja. Propiedades requeridas Resistencia a la compresión Criterio Resistencia mecánica, dureza Localización propiedad Núcleo Acción sobre Acero + Tratamiento térmico Pagina 4

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Desgaste por abrasión

Propiedades requeridas Resistencia al desgaste abrasivo Criterio Dureza Localización propiedad Superficie Acción sobre Acero + Tratamiento térmico + Recubrimiento

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Soldadura en frío

Propiedades requeridas Propiedades de fricción Criterio Coeficiente de fricción Localización propiedad Superficie Acción sobre Pulido + Recubrimiento

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Tenacidad è Es la resistencia a la ruptura súbita è Esa propiedad al contrario de la fragilidad evita los fenómenos de ruptura prematura y de despostillamiento de las herramientas en servicio

Resistencia Mecánica è Se caracteriza principalmente por la dureza è Esa propiedad asegura no tener deformaciones de la herramienta bajo el efecto de la presión de la operación

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Resistencia a la ruptura progresiva è Es la fatiga mecánica è En general la resistencia a la ruptura progresiva depende de la tenacidad. Si es mejor la tenacidad, mejor resiste la herramienta a la ruptura progresiva

Resistencia al desgaste abrasivo è El desgaste abrasivo depende de muchos factores è En general mejor esta la dureza, mejor esta la resistencia al desgaste abrasivo

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¿Cómo elegir las herramientas para reducir los costos de producción ? La reducción de los costos es la prioridad de cada empresa que busca ser competitiva. ¿Significa eso comprar más barato herramientas de menor rendimiento? Por supuesto que no, la mejor opción es buscar soluciones para reducir las pérdidas de producción causadas por las fallas de herramientas utilizando herramientas de inversión inicial más alta pero con mayor rendimiento.

Búsqueda de solución

Análisis del tipo de degradación y desgaste Estudio de los requerimientos mecánicos

Diseño Materiales

Elección

Tratamientos térmicos BALITHERM® Acabado superficial Recubrimientos BALINIT®

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Tratamientos térmicos al vacío de alta calidad BALITHERM®

+ = +

Recubrimientos extraduros BALINIT

®

PRODUCTIVIDAD

COSTOS DE PRODUCCION MAS BAJOS Pagina 10

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Ventajas de los procesos de temple y revenido al vacío BALITHERM® è Mejor combinación de alta dureza y alta tenacidad. è Menos deformaciones y cambios de dimensiones è Mejor homogeneidad de la micro-estructura è Piezas limpias sin oxidación è Protección del medio ambiente è Compatibilidad y sinergia con los recubrimientos antidesgaste BALINIT® èRevenidos múltiples para estabilizar la estructura de la herramienta y alargar la vida en servicio èProcesos específicos con características de dureza y tenacidad ajustadas al tipo de aplicación (punzonado o conformado…)

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Tenacidad / dureza - Acero D2 DUREZA Y TENACIDAD DEL ACERO D2 DEPENDIENDO DE SU TEMPERATURA DE AUSTENIZACIÓN CON REVENIDOS A 550°C

Tenacidad

Dureza

62

Dureza HRc

60

58

56

54

52 950

1000

Punzonado

Conformado

64

1050

1100

Temperaturas de austenización en °C

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1150

Tenacidad y dureza de las herramientas Flecha plástica en mm

Evolución de las propiedades mecánicas en función de la temperatura de austenización

Zona de tratamiento recomendada Dureza Tenacidad

Dureza HRc

ACERO M2 (revenido 570°C)

Temperatura de austenización en ºC Pagina 13

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Tratamiento térmico - Temple + revenidos (acero D2) Tratamiento térmico para aumentar la dureza por temple y revenido

Temperatura Temple Temperatura de austenización

Revenidos

t3 Revenido 1

t3 Revenido 2

t3 Revenido 3

Temperatura de los revenidos

Temperatura ambiente t1 = duración de la austenización t3 = duración del revenido Pagina 14

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Tiempo

Temple Temperatura

ntam

Microestructura Martensita + Austenita

l emp o-T ient

Ca l e

iam

e

Microestructura Ferrita + Cementita

Enfr

Microestructura Austenita + Ferrita + Cementita

iento

Microestructura Austenita

Microestructura Martensita + Austenita retenida Tiempo

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Revenidos - Temple secundario Temperatura

1-2 horas 510 - 530°

1-2 horas 510 - 530°

1-2 horas 510 - 530°

Tiempo Austenita retenida 12% Pagina 16

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Austenita retenida 4%

Austenita retenida

Microestructuras a diferentes pasos del proceso de temple – revenido del acero D2

Estructura de ferrita + cementita antes del temple

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Estructura de martensita + austenita retenida después del temple

Estructura de martensita revenida después de los revenidos

Dureza (HRC)

Diagrama de revenido D2

65

Temperatura de temple 1030°C 1070°C

60

Temperatura de recubrimiento BALINIT® B BALINIT® Futura BALINIT® X.Cell

55

50

45 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Temperatura de revenido (°C)

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Temperatura de recubrimiento BALINIT® A BALINIT® D

Precauciones durante la realización de los tratamientos térmicos de los aceros grado herramienta - Respetar las temperaturas de austenización - Respetar los tiempos de austenización - Definir de manera adecuada las velocidades de enfriamiento de acuerdo al tipo de acero y las propiedades finales deseadas - Respetar el número de ciclos de revenido - Respetar las temperaturas de revenido - Respetar los tiempos de revenido

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Temple al Vacío

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¿Qué es el vacío?

• El vacío es la ausencia de moléculas de aire • El vacío se logra en un recipiente cerrado mediante la extracción de las moléculas de aire, por tanto, generando presiones menores a la atmosférica • Clasificación del vacío – Vacío Primario. 1000 mbar ( Patm) a 1 mbar – Vacío Mediano. 1 mbar a 10-3 mbar – Alto Vacío. 10-3 mbar a 10-6 mbar – Ultra vacío. < 10-6 mbar • En Tratamientos Térmicos se utiliza en mediano y alto vacío

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Ventajas y desventajas del TT al vacío • Ventajas: – Ausencia de modificaciones físico-químicas superficiales; decarburación, oxidación – Homogeneidad de resultados (propiedades mecánicas). buen control – Baja distorsión en comparación a otros métodos de temple • Desventajas – Costo – Baja capacidad de enfriamiento, NO APLICABLE A TODOS LOS TIPOS DE ACERO – Tiempos largos

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Capacidad de temple

• La capacidad de temple de un horno al vacío está dada por: – El acero en particular que se está templando, cada grado requiere de una “velocidad crítica de temple” . – El gas utilizado, pudiendo ser: N2 , Ar, He, H2 , o bien, mezclas de ellos. – La presión del gas dentro del horno. – El flujo de recirculación del gas.

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Velocidad crítica de temple

Acero O1 La transformación inicia a los 6 segundos de enfriamiento Pagina 24

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Acero D2 La transformación inicia a los 5 minutos de enfriamiento

Comparación severidad de temple varios medios NITROGENO 1.5 bar

NITROGENO 4.5 bar

BAÑO SALES 540 ºC

BAÑO SALES 360ºC

ACEITE 60ºC

0 Pagina 25

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2

4

6

8

10

Propiedades físicas de los gases para temple

GAS Propiedad Densidad, a 15ºC, 1 bar Calor específico Conductividad Térmica

Ar N2 He H2 kg/cm3 1.6687 1.1700 0.167 0.0841 kJ/kg K 0.5204 1.041 5.1931 14.3 W/m K 1.77E-02 2.59E-02 1.50E-01 1.87E-01 Unidades

• A mayor Calor específico y mayor conductividad térmica, se incrementa la rapidez de enfriamiento y la capacidad de temple • Mayor capacidad de temple siempre produce mayor distorsión

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Efecto de la presión y flujo de gas, sobre el tiempo de enfriamiento

Presión Pagina 27

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Flujo

Conclusión • No se pueden templar al vacío todos los tipos de acero debido a: – Que cada tipo de acero tiene una “velocidad de enfriamiento crítica” para transformar la austenita a martensita, el riesgo que se corre es no poder endurecer el material de forma completa. – El horno tiene una capacidad limitada de enfriamiento. – Dicha capacidad puede ser insuficiente para: » Aceros templables en aceite o agua. » Aceros templables al aire, piezas de grandes dimensiones.

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Deformaciones y cambios de volumen durante el tratamiento térmico al vacío Deformaciones è Orígenes : • Tensiones internas localmente arriba del limite de elasticidad del material • Tensiones residuales presentes antes del tratamiento • Tensiones de transformación metalúrgica • Tensiones térmicas è Causas : • Maquinado anterior provocando tensiones internas muy altas • Posicionamiento de las piezas en la carga de tratamiento térmico • Problemas al cruzar los puntos de transformación metalúrgicos • Gradientes térmicos provocados por : 8Piezas muy masivas 8Diferencias de sección importantes 8Variación muy rápida de temperatura Pagina 29

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è Soluciones : • Tratamiento de relevado de esfuerzos antes del temple • Buena colocación de las piezas en la carga de tratamiento térmico • Cruzar lentamente los puntos de transformación metalúrgicos • Disminución de los gradientes térmicos Cambios de volumen è Orígenes : Modificaciones de la microestructura debido a los tratamientos térmicos (diferencias de densidades antes y después del tratamiento è Causas : • Ciclo de tratamiento térmico • Tipo de acero è Soluciones : • Utilizar gráficas de cambio de volumen por acero para dejar sobrematerial para remover ajustando la herramienta una vez que ha sido revenida • Limitar los cambios de volumen con procesos al vacío Pagina 30

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Cambio de volumen del acero D2 1.4 1.2 Deformación en °/oo

1 0.8 0.6

L l e

0.4 0.2 0 -0.2 0

100

200

300

400

500

600

-0.4 -0.6

Austenización a 1010°C

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e = 25

Temperatura de revenido en °C

l = 50

1 L=

50

Cambio de volumen del acero D2 Pieza de 100 x 70 x 20 mm Temple a 1000°C Revenido a 250°C

Sentido de laminación

0.30°/oo = 0.03 mm

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-0.15 °/oo = -0.01 mm

-0.32 °/oo = -0.008 mm

Cambio de volumen del acero D2 Pieza de 100 x 70 x 20 mm Temple a 950°C Revenido a 200°C

Sentido de laminación

0.70 °/oo = 0.07 mm

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0 = 0 mm

-0.1 °/oo = -0.02 mm

Cambio de volumen del acero D2 Pieza de 100 x 70 x 20 mm Temple a 1010°C Revenidos a 520°C

Sentido de laminación

0.70 °/oo = 0.07 mm

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0.5 °/oo = 0.035 mm

0.25 °/oo = 0.006 mm

Métodos para reducir las distorsiones • Posición y acomodo dentro de la carga – Evitar la deformación en caliente por mal soporte mecánico Usar herramentales especiales, aleaciones refractarias, diseño de acuerdo a tipo de piezas ( planos, cilíndricos, etc.) Mantener los herramentales en buen estado, reponer piezas dañadas

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Reducción de distorsiones (2)

Colocar las piezas sobre una superficie plana, permitiendo el flujo del gas de enfriamiento, apoyar por una cara plana, asegurar que la pieza quede totalmente vertical De ninguna manera se pueden colocar piezas inclinadas, de modo que se debe respetar la capacidad dimensional de la cámara

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Reducción de distorsiones (3) Uso de placas de grafito para piezas donde se requiere mayor control de distorsiones, o bien, se usan cuando las bases metálicas muestran deformación

Su uso está limitado a una temperatura máxima de 1080 ºC, a más alta temperatura el acero reacciona con el grafito formando eutécticos El acero se funde!! La cámara caliente del horno se daña fatalmente!!

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Algunos ejemplos de colocación de las piezas

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Capacidad del horno

• Carga máxima : 600 kg • Peso máximo unitario/pza: 460 kg , limitación por horno de revenido • Temperatura máxima de operación: 1250 ºC • Presión máxima para temple: 3 bar • Dimensiones máximas de trabajo:

550 mm 900 mm 600 mm Pagina 39

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Procesos Estándares Aceros

Durezas HRc

D2

56 - 58

58 - 60

60 - 62

H13

48 - 50

50 - 52

52 - 54

Para aceros HSS (M2, M3, M4, etc.) y otros como A2, CPM, S7, etc., favor de llamar a servicio al cliente para consultar sobre la factibilidad de las cargas.

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Descripción de los aceros •

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Aceros para trabajo en frío – A2, es un acero de mediana aleación; 1.00 %C, 5 %Cr, 1% Mo, muestra alta templabilidad, normalmente puede endurecerse por enfriamiento al aire. Exhiben un alto grado de estabilidad dimensional en TT, desarrolla buena resistencia al desgaste, y dado que son relativamente baratos se usan para herramientas que no tienen demandas mecánicas demasiado altas. – D2, mayor contenido de aleación que el anterior, 1.5 %C, 12.00 %Cr, 1.00 %Mo, 1.00 %V. Tiene alta templabilidad, muestra baja distorsión en TT. » Es el acero para trabajo en frío más usado debido a que logra alta resistencia al desgaste abrasivo y adhesivo en combinación con alta tenacidad y estabilidad de propiedades a temperaturas de hasta 530 ºC. – D3, 2.25 %C, 12.00 5 Cr. Su alto contenido de carbono lo hace especialmente apropiado para aplicaciones en donde se requiere la mayor resistencia al desgaste abrasivo, sin embargo, desarrolla menor dureza que el D2.

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Aceros para trabajo en frío

•

•

•

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D6, 2.10 %C, 12.00 % Cr, 0.70% W. Es una modificación del D3 para lograr mayor templabilidad a fin de endurecer completamente secciones de mayores dimensiones. S6, 0.50 %C, 1.50% Cr, 2.5% W. Su composición química está formulada desarrollar alta dureza en combinación con alta resistencia al impacto. Es uno de los aceros con mayor contenido de aleación dentro del grupo S, esto a fin de mejorar su templabilidad, lo cual le da la capacidad de templarse en hornos al vacío. » Su curva de revenido no muestra endurecimiento secundario, por tanto, se reviene a bajas temperaturas, al recubrir se presentan cambios dimensionales y de propiedades físicas. S7, 0.50% C, 1.40% Mo, 3.35% Cr. Mayor templabilidad y resistencia al reblandecimiento térmico que el S6, lo cual lo hace más deseable para el temple al vacío. De la misma forma que el anterior se reblandece al recalentarse.

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Aceros para trabajo en frío

•

•

•

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L6, 0.70% C, 1.50% Ni, 0.75% Cr, 0.25% Mo. Es un acero de uso general, muestra muy buena maquinabilidad y tenacidad. No muestra endurecimiento secundario de modo que se reblancede al exponerse a temperaturas elevadas. 420 y 440. Son aceros inoxidables martensíticos, templables, de modo que se usan en aplicaciones en donde se requiere resistencia a la corrosión u oxidación en combinación con buena resistencia mecánica, dureza y resistencia al desgaste. Vanadis 4, 6 y 10. Son aceros pulvimetalúrgicos, con composición muy similar a la del D2, dada la distribución homogénea de carburos muestran propiedades isotrópicas ( iguales en cualquier sentido). Estos aceros constituyen un grupo de aleaciones para las cuales su consumo viene en aumento considerable. – Los diferentes grados producen diferentes combinaciones de dureza, tenacidad y resistencia al desgaste, de acuerdo a la aplicación en particular.

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Aceros para trabajo en caliente

•

•

•

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H11, 0.35% C, 1.50% Mn, 5.00 % Cr, 0.4% V. Es un acero popular y económico, tiene alta templabilidad y resistencia al al agrietamiento en caliente, puede ser nitrurado, alta resistencia al reblandecimiento a alta temperatura, pudiendo trabajar sin pérdida apreciable de propiedades mecánicas hasta los 560-590 ºC. Posee además alta tenacidad, muy baja distorsión en tratamiento térmico y mediana resistencia al desgaste abrasivo. H13, 0.35% C, 5.00 % Cr, 1.50% Mo, 1.00 % V. Tiene excelente resistencia de agrietamiento en caliente, puede ser enfriado con agua en servicio, debido a su bajo contenido de carbono no muestra apreciable endurecimiento secundario, la dureza empieza a caer al llegar a los 425 ºC. H19, 0.4 %C, 4.25% Cr, 2% V, 4.25% W, 4.25% Co. Dentro del grupo H, es el acero que exhibe la mayor dureza secundaria, sin embargo esta disminuye drásticamente si el revenido se hace por arriba de 550 ºC, alta tenacidad combinada con alta resistencia al desgaste.

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Aceros rápidos •

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Convencionales. – M2,1.00% C, 4.00% Cr, 5.00% Mo, 2.00% V, 6% W. Es el acero rápido más ampliamente utilizado por su relación precio/desempeño. Tiene muy altas resistencias al desgaste y al reblandecimiento en caliente, normalmente con baja tenacidad, aunque es posible balancearla con la dureza según la aplicación en particular. – M4, 1.25% C, 4.00% Cr, 4.50% Mo, 4.00% V, 5.5% W. Es una modificación del M2, con mayores contenidos de carbono y vanadio para obtener mayor dureza y resistencia al desgaste, lo cual redunda en mayores velocidades de corte, sin embargo la tenacidad se afecta adversamente. – M35, 0.88% C, 4.50% Cr, 5.5% Mo, 2.20% V, 6.00% V, 5.5% Co. La adición de cobalto proporciona una mejora sustancial en la resistencia al reblandecimiento a altas temperaturas, de manera que la resistencia al desgaste es muy alta. – M42, 1.10% C, 3.75% Cr, 9.5 % Mo, 1.15% V, 1.50% W, 8.00% Co. Los altos contenidos de carbono y cobalto proporcionan a este acero super altas propiedades de corte a altas velocidades, puede alcanzar hasta 70 HRc, especialmente aplicable para operaciones de alta demanda.

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Aceros rápidos pulvimetalúrgicos • Perfecta distribución de carburos • Libres de segregaciones • Mejor tenacidad • Isotropía • Mejor resistencia a la compresión • Mayor estabilidad dimensional. • Básicamente las mismas composiciones químicas que los HSS convencionales.

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Equivalencias aproximadas entre aceros pulvimetalúrgicos

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Tratamiento Criogénico • •

• •

•

•

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Tratamiento posterior al temple que se realiza a fin de transformar la austenita retenida a martensita. Normalmente se realiza a nivel industrial a - 80 ºC, aunque algunos procesos utilizan temperaturas inferiores del orden de los -190 ºC, los principales beneficios se obtienen en el rango de los -80 ºC, haciendo que el proceso adecuado en términos costo/beneficio. Posteriormente al tratamiento en frío, se realizan los revenidos para transformar la martensita formada tanto en el temple como en el criogenizado. Su aplicación implica riesgos para algunas herramientas de forma complicada, ya que se inducen fuertes tensiones térmicas que pueden ocasionar la ruptura de la pieza. El revenido múltiple ofrece los mismos resultados metalúrgicos sin el riesgo mencionado, por lo cual en muchos casos se prefiere sobre el criogenico, especialmente en aceros rápidos y de alto C/alto Cr ( serie D). En BMX no haremos tratamiento criogénico.

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Ejemplo de proceso de fabricación de una herramienta de embutido / corte en D2 Matriz redonda : - Diámetro exterior 250 mm - Diámetro interior 103 mm - Espesor 62 mm • Maquinado de desbaste N°1 con sobreespesor de 0.5 mm • Recocido de estabilización 4 horas a 700°C • Maquinado de desbaste N°2 con sobre espesor de 0.3 mm • Temple a 1020°C al vacío para limitar las deformaciones • 3 revenidos a 520°C al vacío • Control de dureza 59 a 61 HRc • Maquinado de acabado • Revenido de relevado de esfuerzos a 200°C 4 horas • Ajuste y pulido • Desgasificado al vació 2 horas a 500°C • Recubrimiento BALINIT® Pagina 49

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Influencia que tiene el sentido de fabricación de la herramienta, en su vida útil Para evitar este tipo de problemas se recomienda usar aceros PM o aceros refinados

Mal sentido de fabricación

Buen sentido de fabricación

ACERO 50,000 piezas

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+ de 200,000 piezas

Estructura del acero D2

Estructura del acero Precauciones relacionadas con las especificaciones de los aceros para estampado A evitar: - Uso de aceros con bandas de carburos - Estructuras heterogéneas

Acción sobre: - Controlar la calidad del acero - Pedir certificados de calidad - Identificar el sentido de las tensiones y elegir el sentido de extracción - Utilizar aceros pulvimetalurgicos tipo VANADIS 4, 6 o 10 Pagina 51

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Pruebas de Dureza

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Prueba Rockwell • Prueba de indentación, usando un penetrador de diamante en forma de cono de 120º o una bola de acero endurecido. • El procedimiento se efectúa en tres pasos. • En el primer paso se aplica una “carga menor” que causa que el indentador penetre cierta profundidad el material. Un instrumento de medición toma esta medida como referencia. • En el segundo paso, se agrega adicionalmente la “carga mayor” lo que causa una indentación más profunda. • Al retirar la carga mayor, el instrumento de medición evalúa la diferencia entre las profundidades producidas en los pasos 1 y 2. HR= E-e

Las escalas más usadas: Rockwell C. Indentador de diamante, 150 kg. Rockwell A. Indentador de diamante, 60 kg. Rockwell B. Indentador de bola de acero de 1/16”, 100 kg Pagina 54

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Tabla de equivalencia entre escalas de Dureza Rockwell C Rockwell B HRc HRb 20 97 21 98 22 99 23 99 24 100 25 101 26 102 27 103 28 103 29 104 30 105 31 106 32 106 33 107 34 108 35 108 36 109 37 109 38 39 40 41 42 43 44 45

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Brinell HBN 223 229 235 241 248 255 255 262 269 277 285 293 302 311 321 331 331 341 352 363 375 388 388 401 415 415

Vickers HV 238 243 248 254 260 266 272 279 286 294 302 310 318 327 336 345 354 363 372 382 392 402 412 423 434 446

Rockwell C Rockwell B HRc HRb 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Brinell HBN 432 444 444 461 477 495 495 514 534 555 555 578 578 627 653 682 682 710 710 745

Vickers HV 458 471 484 498 513 528 544 560 577 595 613 633 653 674 697 720 746 763 789 820 854 894 942 1004 1076

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Gracias por su atención

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