ACEROS PARA HERRAMIENTAS
1 INTRODUCCION
Son aceros utilizados para fabricar herramientas destinadas a conformar materiales por compresión, percusión, cizallamiento, arranque de material, etc. Para responder a los requerimientos que comporta su utilización las herramientas deben poseer un conjunto de propiedades intrínsecas tales como: dureza, resistencia al desgaste (en frio y/o en caliente), tenacidad en el núcleo, templabilidad (y a veces indeformabilidad en el temple), resistencia al choque térmico, buena maquinabilidad, etc. A ello se añade, a veces la necesidad de buen comportamiento a temperatura elevada; ya sea porque la herramienta se caliente por trabajo de frotamiento, o simplemente porque haya de conformar un material a alta temperatura. La necesidad primaria de una de esas propiedades orientara – junto con el precio – hacia el tipo de acero adecuado.

La dureza en frio, característica común de casi todas las herramientas, justifica que los contenidos en carbono superen a los de los aceros de construcción. Y la tenacidad requerida en el núcleo de las herramientas previene que habran de ser revenidas después de temple. Los elementos de aleación confieren primariamente templabilidad y resistencia al revenido de la martensita; y complementariamente otra propiedades. Los aceros no aleados, aunque son favorables por su precio bajo y mejor maquinabilidad que los aleados, ablandan notablemente por revenido. En consecuencia no deberan emplearse para trabajos en caliente.

El conjunto de los aceros paraherramientas pueden ser clasificados como sigue:
Aceros para trabajos en frio:
Al carbono (ref. X.2).
De baja aleación (ref. X.3).
Indeformables en el temple (X.4)
Aceros para trabajos en caliente (ref. X.5).
Aceros rapidos (ref. X.6).
Aceros para moldeo de plasticos y aceros para otras aplicaciones (ref. X.7).
Todos esos aceros resultan similares en casi todos los países, y en muchos de ellos se identifican por la clasificación norteamericana AISI (de “American Iron and Steel Institute”).
2 ACEROS AL CARBONO
Son aceros con mas de 0.5%C a fin de lograr una adecuada dureza superficial en el temple: entre 60 y 67 HRc. Pueden ser aceros hipoeutectoides o hipereutectoides. Después de temple el revenido no debe hacerse a alta temperatura. Aunque de hacerlo así aumentaría su tenacidad, la dureza de temple de estos aceros no aleados disminuye considerablemente con la temperatura; y resultarían inadecuados para la función a que se destinan puesto que las durezas requeridas en servicio suelen ser del orden de 58-65 HRc. Por eso la temperatura de revenido no debe superar los 400ºC. Normalmente el revenido suele darse a 250ºC; y a veces a 150ºC si lo que se pretende es sencillamente eliminar las tensiones de temple.
Por consiguiente, los aceros al carbono no pueden utilizarse a temperaturas superiores a las de revenido bajo. Se emplean exclusivamente en herramientas para trabajos en frio.
La templabilidad de estos aceros aumenta ligeramente con el contenido de carbono en los hipoeutectoides (el eutectode es elde mayor templabilidad). Disminuye, en cambio, en los aceros hipoeutectoides ya que la cementita proeutectode facilita la nucleación heterogénea de la perlita y acerca al origen de tiempos la zona perlitica de la curva TTT. Pero en cualquier caso, por tratarse de aceros no aleados, tienen poca templabilidad. Por eso el temple suele hacerse en agua – a veces en agua salada – y la penetración de temple apenas alcanza 3mm. La clasificación AISI encuadra a estos aceros para herramientas en el grupo W (“water hardening”).
Recuérdese que en piezas grandes la velocidad de enfriamiento de la periferia – como resultado del factor tamaño – puede resultar insuficiente para que en ese medio refrigerante llegue a formarse martensita en la periferia. Los aceros al carbono, por tanto, se utilizan para herramientas de pequeño tamaño y de formas no complicadas (que implicarían riesgos de rotura en un refrigerante severo).
Luego de templar y efectuar un revenido bajo, la dureza de estos aceros – y por consiguiente su resistencia al desgaste en servicio – resulta mayor cuanto mas alto sea el contenido de carbono; si bien la tenacidad disminuye. La elección del contenido de carbono es un compromiso entre resistencia al desgaste y tenacidad. Si aquella es suficiente, debe elegirse el acero de menor porcentaje de carbono: no solo por su mejor tenacidad sino también porque resulta mas facil su forja y temple (menores riesgos de decarburación, de sobrecalentamiento y de quemado).
La decarburación periférica sera mas acusada en losaceros de alto contenido de carbono. Para evitar esas descarburaciones durante la austenización, previa a un recocido o a un temple, conviene emplear hornos de atmosfera controlada. O bien efectuar esa austenización en cajas cerradas llenas de carbón vegetal seco, o de virutas de fundición.
La temperatura de austenización para templar aceros hipoeutectoides conviene supere en unos 40ºC la correspondiente temperatura A3 del acero – menor cuanto mas C – a fin de evitar la presencia de ferrita proeutectode en el temple.
Para un mismo tiempo de permanencia a la temperatura de austenización el grano austenítico crece cuanto mas alta la temperatura. En consecuencia, la templabilidad del acero aumenta y, con ella, también la profundidad de la capa templada. Por eso en piezas grandes suele templarse entre 70-80ºC por encima de A3. Aunque no es practica correcta aumentar de ese modo la templabilidad, por engrosamiento de grano, puesto que la martensita – de mayor tamaño – resulta menos tenaz. En esos casos resulta preferible utilizar un acero ligeramente aleado (ref. X.3)
En el caso de los aceros hipereutectoides, su dureza de temple depende no sólo del contenido de carbono del acero sino también de la temperatura de austenización incompleta utilizada. Cuanta mas alta sea dicha temperatura mas carbono solubiliza la austenita y por tanto mas duro resulta el acero templado. En cualquier caso la temperatura de austenización debe ser siempre inferior a Acm a fin de evitar riesgos de sobrecalentamiento y/o quemado.Habitualmente se recomienda superar solamente unos 50ºC la temperaturas de austenización completa.
La temperatura y tiempo son complementarios tanto en la austenización como en el revenido. Resulta mas conveniente un revenido largo a baja temperatura que uno corto a mas alta temperatura. El revenido suele hacerse en baño de sales o en horno de circulación forzada de aire. Y conviene efectuarlo inmediatamente después del temple para evitar el peligro de grietas por tensiones, sobre todo si se trata de piezas con perfiles de diferente masividad.
Habida cuenta de su alto contenido de carbono la conformación de esto aceros no puede hacerse en frio sino por forja o laminación en caliente. Habitualmente las temperaturas recomendadas para ello estan comprendidas entre 1050ºC y 850ºC. Se deben evitar mantenimientos prolongados a esas temperaturas porque provocarían crecimiento de grano y una estructura grosera y fragil después de forja. Y conviene calentar lenta y uniformemente la masa evitando la exposición directa a la llama de zonas agudas y delgadas si el calentamiento no es realizado en horno.
En los aceros hipereutectoides la temperatura final de forja conviene sea – aunque ello conlleve un mayor esfuerzo para deformar – inferior a Acm. Es favorable terminar la forja en el rango de austenita y cementita a fin de evitar proeutectode; que aparecera si la forja acabara con estructura plenamente austenítica antes de enfriamiento.
El enfriamiento después de forja no comporta riesgos de formar martensita, puesto que se trata deaceros de baja templabilidad, y no requiere especiales cuidados. Suelen enfriarse en cenizas. La estructura final – ferrito perlítica o cementito perlítica – resulta blanda, con dureza inferior a 250 HB, por lo que no suele precisar un recocido de ablandamiento antes de mecanizado.
El recocido después de forja puede ser necesario cuando – por forja inadecuada (a θ > Acm) – la cementita contorneara la colonias de perlita. Al templar permanecería intergranularmente esa cementita y contribuiría a enfragilizar la herramienta. La finalidad del recocido posterior a la forja y previo al temple, sería la de globulizar ese cementita. En todo caso, si se requiere un recocido luego de forjar un acero hipereutectode, no debe ser de austenización completa (con austenización incompleta, se favorece la globulizacion de la cementita).
Para eliminar las decarburaciones periféricas conviene rebajar 1 ó 2 mm la superficie de la pieza bruta de forja, o en su caso recocida, mediante un mecanizado. Durante esa operación debe evitarse se formen rayas profundas a angulos vivos que serían luego causa de grietas en el temple.
Una vez templada la pieza el rectificado final debe hacerse con refrigeración abundante de agua para evitar el ablandamiento que se produciría si se llegara a alcanzar una temperatura mayor que la del propio revenido.
El campo de aplicación de los acero al carbono es amplio. Entre los hipoeutectoides suele utilizarse el de 0.55%C para destornilladores, alicates, tenzas y martillos (con dureza de temple 60 HRc yrevenido luego hasta dureza final entre 59 y 45 HRc). Para cinceles, cortafríos, tijeras, hachas, martillos de forja y herramientas para madera, suele preferirse 0.65%C.
Para navajas, cuchillos, así como picabarrenas y martillos neumaticos baratos: 0.75%C (temple con 61-63 HRc, y revenido con el 61-46 HRc).
Para mayor resistencia al desgaste – siempre con revenido entre 150º y 300ºC – suelen utilizarse aceros hipereutectoides. Se eligen estos aceros no para obtener martensita mas dura – ésta habida cuenta que el temple ha de ser de austenización incompleta apenas supera en ningún caso el 0.77%C – sino para lograr que hayan también cementita proeutectoide. Suelen emplearse aceros de 0.85%C para tijeras de podar, formones, cuchillas, troqueles baratos (temple con 62-64 HRc, y revenido con 62-47 HRc, y revenido 63-47 HRc); aceros de 1.10%C para mordazas, terrajas, escariadores, formones, trépanos, cuchillas de cepilladora, brocas para baja velocidad de trabajo (temple con 64-66 HRc, y revenido 64-48 HRc; 1.30%C para limas, hileras, sierras metalicas, cizallas para papel, herramientas de cincelar (temple con 64-66 HRc, y revenido con 64-49 HRc).
Un mismo acero puede ofrecer distintas propiedades según sean, sus temperaturas y tiempos de temple y de revenido. Por ello muchos fabricantes – de ese modo simplifican sus stocks de almacén – utilizan sobre todo el acero 1%C, con el que consiguen un aceptable compromiso de resistencia al desgaste y tenacidad, útil para gran número de aplicaciones. También para herramientas decorte que requieran gran dureza y filo agudo. Aunque, habida cuenta de la delgada capa superficial templada y si han de ser rectificadas las herramientas luego de un tiempo de servicio, convienen mas los de baja aleación que los aceros al carbono ya que proporcionan mayores profundidades de temple.
La utilización de estos aceros al carbono casi exclusivamente para piezas pequeñas no excluye su empleo para herramientas de mayor tamaño. En este caso suelen emplearse aceros al carbono pero con una pequeña cantidad de vanadio, o.35%, y de manganeso (a veces hasta 0.65%Mn). Aunque solamente templaría una delgada capa periférica, en tanto que el núcleo no, el conjunto mantiene cierta tenacidad y las tensiones de compresión periférica generadas por el temple resultan beneficiosas para un comportamiento a esfuerzos alternativos en piezas de no mucha responsabilidad.
Téngase en cuenta, antes de pasar al siguiente apartado, que los aceros al carbono junto a las limitaciones ya señaladas presentan interesantes ventajas. Son baratos. Su dureza supera a la de los aceros de media y alta aleación porque no tienen otros elementos que limiten la solubilidad del carbono en la austenita. Esa ausencia de aleantes ocasiona también menos austenita residual en el temple que en los aceros de media y alta aleación. Por la inexistencia de otros carburos diferentes de la cementita su maquinabilidad es buena: lo que facilita la fabricación de las herramientas. También su forjabilidad es mejor que la de los aceros de media y alta aleación.En la tabla X.1 figuran los aceros al carbono para herramientas propuestos por AISI. Son hipereutectoides. La denominación “W” responde a que su temple, por la escasa templabilidad de estos aceros, se efectúa en agua (“water”).

Acero W1
AISI W1

Categoría Acero
Clase Herramienta de Acero
Tipo Herramienta de Acero endurecidas en agua
Designaciones United States: ASTM A686 , SAE J437 (W108) , SAE J437 (W109) , SAE J437 (W112) , SAE J437 (WhO) , SAE J438 (W108) , SAE J438 (W109) , SAE J438 (W110) , SAE J438 (W112) , UNS T72301
Composición

Elemento Peso %
C 0.70-1.50
Mn 0.10-0.40
Si 0.10-0.40
Cr 0.15
Ni 0.20
Mo 0.10
W 0.15
V 0.10
Cu 0.20
P 0.025
S 0.025

Propiedades mecanicas

Propiedades Condiciones
T (°C) Tratamiento
Densidad (×1000 kg/m3) 7.84 25
La relación de Poisson 0.27-0.30 25
Modulo Elastico(GPa) 190-210 25
Propiedades térmicas

Propiedades Condiciones
T (°C) Tratamiento
Expansión térmica (10-6/ºC) 10.4 20-100
Conductividad térmica (W/m-K) 48.3 100

3 ACEROS DE BAJA ALEACIÓN PARA TRABAJOS EN FRÍO
Comprende este grupo dos tipos de aceros ligeramente aleados, y por tanto de mas templabilidad que los aceros al carbono, lo que permite su temple en aceite. Al igual que en los aceros al carbono, resulta notable la pérdida de dureza por revenido a partir de los 250ºC: por la pequeña estabilidad que confiere a la martensita el hecho de ser aceros de baja aleación. Por tanto se utilizan después de un revenido bajo, y en consecuencia, son acerosdestinados a trabajos en frio.
Se distinguen dos grupos: uno de ellos destinado a trabajos que requieren gran resistencia al desgaste y a la abrasión (aceros extraduros); y otro, los aceros resistentes al choque mecanico, menos duros pero mas tenaces que aquellas, se destinan a trabajos de choque en frío tales como cizallas para cortar metal, picabarrenas por aire comprimido y troqueles de cubertería.
3.1 Los aceros extraduros (AISI grupo O)
Se utilizan en aplicaciones – similares a los aceros al carbono – que conllevan poco calentamiento durante el servicio: punzones, machos de roscar, escariadores, brocas para madera, limas, etc. La dureza requerida durante el servicio viene a ser de 60-64 HRc. Se emplean después de revenido bajo: a temperaturas inferiores a 300ºC. Son aceros para temple en aceite y por ello esta familia de aceros extraduros se designa como grupo O (“oil hardening”) en la clasificación AISI.
En la tabla X.2 puede advertirse que todos ellos con hipereutectoides: a fin de lograr gran dureza mediante el concurso de martensita de alto carbono y los carburos. Los alenates tienen por objeto posibilitar el temple en aceite de redondos con diametros de hasta 10-15mm. Las adiciones de W y V afinan el grano mejorando así la tenacidad de la herramienta. Complementariamente Cr, W, V – elementos carburigenos – proporcionan, al formar carburos, una mejor resistencia al desgaste. Si bien la presencia de esos carburos los hace menos mecanizables que los aceros al carbono (aunque mas que los aceros de media yalta aleación).
Resultan poco mas caros que los aceros al carbono; no sólo por el bajo contenido en aleantes sino también porque – al igual que en aceros al carbono – su forja y tratamientos térmicos no requieren elevados costes de instalación y proceso. La forja suele efectuarse a temperaturas 1.050-900ºC seguida de enfriamiento en cenizas. El recocido a 825-850ºC con enfriamiento en hornos convencionales: a temperaturas entre 790ºC y 850ºC.
En el compromiso entre dureza y tenacidad prima en estos aceros la dureza. El acero O2 se utiliza generalmente para limas grandes y de grabado profundo, con unas características normales de utilización 62-66HRc. El acero O7 permite templar, en aceite, redondos de hasta 15mm. Se emplea generalmente para peines y machos de roscar; pero resulta también de interés para herramientas de pequeña sección destinado a corte con arranque de viruta a baja velocidad con trabajos de poca responsabilidad (como alternativa a los aceros rapidos). Su dureza habitual en servicio es 60-64 HRc.
El alto contenido de silicio del acero O6 tiene por finalidad mejorar la tenacidad a revenidos bajos. Ademas por el caracter de grafitizante de silicio, en el compromiso estable/metaestables durante el enfriamiento desde el estado austenitico llega a proporcionar algo de grafito favorable como lubricante. Pero habida cuenta de la ausencia de elementos carburigenos debe evitarse que pueda formarse grafico eutéctico durante la solidificación o proeutectoide en el enfriamiento, porque aminoraría notablementesu tenacidad.
Tabla X.2 Aceros extraduros (AISI, grupo O)

Acero O1
AISI O1

Categoría Acero
Clase Herramienta de Acero
Tipo
Designaciones Alemanis: DIN 1.2510
Reino Unido: B.S. BO 1
Estados Unidos: ASTM A681, FED QQ-T-570, SAE J437, SAE J438, UNS T31501

Composición

Elemento Peso %
C
0.85-1.00
Mn
1.00-1.40
Si
0.50
Cr
0.40-0.60
Ni
0.30
W
0.40-0.60
V
0.30
Cu
0.25
P
0.03
S
0.03


Propiedades mecanicas

Propiedades Condiciones
T (°C) Tratamiento
Densidad (×1000 kg/m3) 7.85
25

La relación de Poisson 0.27-0.30 25

Modulo Elastico(GPa) 190-210
25


Propiedades Térmicas

Propiedades Condiciones
T (°C) Tratamiento
Expansión Térmica (10-6/ºC) 10.6
20-260


3.2 Aceros resistentes al choque mecanico en frio (AISI grupo S, “shock resistiing”)
Son aceros hipoeutectoides, puesto que entre dureza y tenacidad prima esta ultima característica. La dureza requerida suele ser de 50-58 HRc, lo que exige que el revenido, luego del temple sea bajo (210ºC).
En la tabla X.3, correspondiente a esta familia de aceros resistentes al choque mecanico en frio, figuran las composiciones AISI. La templabilidad es conferida por elementos carburígenos, con presencia a los gammagenos: porque tienen, ademas, la ventaja de proporcionar carburos y ello acrecienta la resistencia al desgaste. El V, ademas, afina el grano austenitico y por ello mejora la tenacidad.

Tabla X.3 Aceros resistentes al choque (AISI, grupo S)

En todos estos acerosse procura lograr buena tenacidad luego de un revenido bajo. Por ello tienen altos contenidos de silicio que resulta favorable para eliminar la fragilidad a los revenidos bajos. Por otro lado, puesto que importa mas la resistencia a la deformación elastica que a la deformación plastica, e interesan por tanto altos valores del límite elastico en la martencita revenida, el silicio resulta igualmente favorable para mejorar el comportamiento de la herramienta frente a esfuerzos alternativos: a fin de evitar roturas por fatigas.
Pero recuérdese que a propósito de los aceros para la construcción de muelles – cuya composición resulta similar a la de algunos dé estos -, se señalo que los aceros con alto contenido de silicio son propensos a la decarburación en estado austenítico. Por eso, a fin de evitar posibles decarburaciones o cualquier otra regularidad superficial – siempre desfavorables para fatiga -, conviene dejar un margen de tolerancia en las medidas para poder dar un rectificado final a la herramienta.
La elección de uno u otro acero de esta familia dependen como siempre que se trata de herramientas para trabajos en fríos, de un equilibrio entre dureza (para resistencia al desgaste) y tenacidad. No resulta facil atribuir a cada acero de esta familia de baja aleación, unas aplicaciones específicas. Cabe simplemente apuntar un rango de posibilidades que el lector debe valorar finalmente en cada caso concreto. Un mismo acero sirve para aplicaciones múltiples. Por ejemplo el acero S5 se utiliza para cuchillasdestinadas al corte de metales por choque con elevados esfuerzo de flexión: para cizallar chapas de espesores superiores a 12mm. A fin de conseguir la maxima tenacidad en este acero se procuran durezas entre 50-53 HRc. Pero ese mismo acero con durezas entre 57-59 HRc se emplea también para otras aplicaciones generales: cinceles, punzones, martillos, cortafríos, etc.
La forma de la herramienta resulta a veces mas determinante para un buen comportamiento en servicio que el tipo de acero elegido. Por eso, en su diseño, deben evitarse los angulos vivos, los cambios de sección, las muescas y troqueles de números, etc.
Por lo que respecta a la austenización para forja (o para recocidos supercríticos o para temple) de los aceros del grupo “O” o del grupo “S”, el calentamiento debe ser lento a fin de lograr una uniforme distribución del calor en toda la masa de la pieza. Conviene evitar contacto directo con llama para evitar posibles calentamientos. En los aceros S1 y S7 – por la disminución de conductividad térmica que produce la presencia de W y Cr – suele realizarse un calentamiento escalonado: calentar lentamente hasta alcanzar la temperatura eutectoide (700ºC-750ºC), uniformizar la temperatura de toda la pieza a esa temperatura, y pasar luego a la temperatura de austenización. En otros aceros habitualmente no es necesario un precalentamiento previo a la austenización. Aunque resulta aconsejable si las herramientas son de gran tamaño por que se aminora el riesgo de distorsiones.
En la austenización debe prestarseatención también la posibilidad de oxidación superficial y a las de carburaciones periféricas (sobre todo en los aceros altos en silicio y en los aceros hipereutectoides extraduros, como en S5).
No se recomienda dar tratamiento térmico de normalizado a los aceros del grupo “S” pues templan parcialmente al aire. Para acondicionar las estructuras brutas de forjas, o para regenerar el acero eliminando los defectos estructurales de un temple anterior, o sencillamente para facilitar un conformado o mecanizado en frio, los recocidos aplicados a estos aceros han de ser supercríticos. Generalmente de austenización incompleta (recuérdese que el recocido de austenización completa no puede aplicarse a los aceros hipereutectoides) con enfriamientos no superiores a 20ºC/hora hasta que toda la masa alcance temperatura inferior a Ae; o bien con enfriamiento isotérmico en la zona perlítica seguido luego de enfriamiento al aire). La dureza tras recocido suele ser de 185-215HB.
Solo si pretende ablandar el acero después de una deformación en frio, o quitar tensiones luego de un mecanizado de desgaste importante y antes de temple, suele utilizarse el recocido subcrítico. A temperatura próxima e inferior a Ae (entre 650-680ºC). También suele emplearse un tratamiento subcrítico “para evitar tensiones” luego de una prolongada permanencia en servicio de las herramientas sobre todo en el caso de estar sometidas a fatiga por esfuerzos alternativos. Lógicamente ese alivio de tensiones debe efectuarse a temperatura inferior a la que fuerevenida la herramienta en su momento.
Las temperaturas habituales para forje suelen estar comprendidas entre 850ºC y 1050ºC. las de temple, como orientación, entre 790ºC y 850ºC. Recuérdese que estos aceros – aunque previstos para temple en aceite – pueden también ser templados en agua: logrando así mayor profundidad de temple (siempre que por la geometría de la herramienta – forma y dimensiones – no resulte relevantes los riesgos de deformación o agrietamiento).
Acero S5
AISI S5

Categoría Acero
Clase Herramienta de Acero
Tipo Aceros resistentes al choque
Designaciones Estados Unidos: ASTM A681 , FED QQ-T-570 , SAE J437 , SAE J438 , UNS T41905

Composición

Elemento Peso %
C
0.50-0.65
Mn
0.60-1.00
Si
1.75-2.25
Cr
0.35
Mo
0.20-135
V
0.35
Cu
0.25
P
0.03
S
0.03


Propiedades mecanicas

Propiedades Condiciones
T (°C) Tratamiento
Densidad (×1000 kg/m3) 7.76
25

La relación de Poisson 0.27-0.30 25

Modulo Elastico(GPa) 190-210
25

Resistencia a la Traccion (Mpa) 725
25
recocido
Esfuerzo de Fluencia (Mpa) 440

Elongacion (%) 25
Reducción de la superficie (%) 50
Dureza (HRB) 96 25
recocido
Fuerza de impacto (J) 206
25
aceite templado desde 870 ° C, de un solo revenido a 205 ° C

Propiedades térmicas

Propiedades Condiciones
T (°C) Tratamiento
Expansión térmica (10-6/ºC) 12.6
20-425


4 ACEROS AUTOTEMPLANTES, DE MEDIA Y ALTA ALEACION
Se designan como “aceros autotemplantes”, aquellos cuya templabilidad permitesu temple en aire. Por consiguiente han de ser aceros de media aleación si las piezas son mas bien pequeñas, o de alta aleación – para acero de igual contenido de carbono, que las curvas TTT estén muy alejadas del origen de tiempos – si las piezas son de mayor tamaño.
Los aceros de herramientas para temples al aire suelen denominarse “indeformables”. Esta cualidad hace referencia a que no presenta deformaciones en el temple al aire y son aptos para reproducir con exactitud formas y dimensiones de iguales medidas a las que tenían las piezas antes de ser templadas. Ello es posible por el pequeño gradiente de temperaturas entre la periferia y centro de la pieza durante ese temple al aire.
En otro orden de cosas recuérdese que, por ser aleados, su temperatura Ms es baja. Por consiguiente, si los aceros para temple en aire se templaran en un medio refrigerante mas severo, tal como el agua, los riesgos de agrietamiento serian mayores que los de un acero de igual contenido de carbono, pero no aleado, templado en ese refrigerante severo.
Conviene igualmente recordar que, al alcanzarse la temperatura ambiente en el temple al aire, los aceros aleados presentan mayor cantidad de austenita residual que si el temple se hubiera efectuado en medio refrigerante mas severo.
Los aceros de este apartado se emplean habitualmente para trabajos en frio de conformación, acuñado, punzonado y corte; se utilizan también para galgas, calibres, y cilindros de laminación en frio. Suelen conocerse como aceros para matrices de acuñar ycortantes, o aceros para matrices de estampar en frio.
Ademas de la estabilidad dimensional de las piezas en el temple, los aceros deben presentar resistencia al desgaste para evitar que la abrasión en servicio pueda desgastar la herramienta y, con ello, modificar las medidas iniciales. Y, al mismo tiempo, cierta tenacidad; y elevado limite elastico a compresión.
Como en los otros aceros de herramientas para trabajos en frio, la templabilidad es conferida fundamentalmente por elementos carburigenos; en cuantía suficiente para proporcionar profundidades de temple al aire entre 150 y 250 mm. Esta elección, preferente a los elementos gammagenos, tiene ademas por finalidad lograr numerosos carburos a fin de obtener una buena resistencia al desgaste (aunque en detrimento de la tenacidad).
También pueden ser aceros hipereutectoides o aceros ledeburiticos. Por su alto contenido de carbono, procurado para obtener martensita matriz de gran dureza, todos ellos son propensos a la descarburación. Por eso en su austenizacion cobra especial importancia la utilización de atmosferas controladas; o bien el empleo de sales fundidas neutras.
Parece oportuna también otra puntualización. Si se templaran desde una igual a la de un acero al carbono. Si se templaran desde uno de baja aleación, los aceros de este apartado – grupo AISI “A” Y “D”- resultarían menos duros. Ello es consecuencia de los elementos de aleación carburigeno: para igual contenido de carbono que un acero no aleado las temperaturas Acm se desplazan hacia valoresmas altos; y, para igual temperatura de temple, la austenita llega a saturarse con contenidos de carbono inferiores a los de un acero no aleado. Por ello, para aumentar el contenido de carbono en la austenita –y poder lograr mayor dureza en el temple-, las mas altas que las de los aceros al carbono o de baja aleación.
Para alcanzar la temperatura de austenizacion conviene en todos los casos – tanto para forja como para recocido o para temple- un precalentamiento lento habida cuenta de su baja conductividad (conferida por los elevados contenidos de Cr). El calentamiento úsele hacerse con detención antes de Ae, a unos 700ºC, a fin de uniformizar en temperatura la periferia y el núcleo de la pieza antes de continuar elevando la temperatura para que tenga lugar la transformación α γ .
Por su alta templabilidad, después de forjar estos aceros deben enfriarse lentamente: en cenizas, dentro de un horno, o pasando directamente a un horno de sales fundidas para lograr la estructura perlitica de recocido isotérmico.
En cuanto a tratamientos es obvio que no deben someterse a un normalizado puesto que el enfriamiento al aire no proporción estructura ferrito cementitica sino martensitica.
Los recocidos supercríticos son siempre de austenizacion incompleta ya que se trata de aceros híper o ledeburiticos. Requieren un lento enfriamiento en horno desde su temperatura de austenizacion incompleta: del orden de 15 ºC/hora hasta alcanzar los 55ºC(por bajo ya de la curva perlitica). Alternativamente el enfriamiento continuo seemplea el isotérmico.
Varios de los acero “A” y los “D” pueden ser revenidos entre los 450ºCy 600ºC para lograr “dureza secundaria” por el endurecimiento estructural que pueden conferir el CR, Mo, V, W. A modo de ejemplo la figX.1 ilustra sobre la resistencia a ablandamiento por revenido de cuatro tipos de aceros para herramientas: de temple en agua (W), en aceite (“O”), en aire (“A) y aceros rapidos (“M”, ref. X.6). Aunque habitualmente los aceros para herramientas de trabajo en frio “A” y “D” suelen revenirse entre 150-300ºC porque la dureza secundaria aminora la tenacidad.

4.1 ACEROS PARA MATRICES DE ACUÑAR Y CORTANTES, EN FRIO
En la tabla X.4 se acompaña la familia de aceros con 5%Cr, que corresponden al grupo “A” según la clasificación AISI de aceros para herramientas destinadas a trabajos en frio.
Para matrices autotemplantes de poca responsabilidad algunos usuarios suelen emplear aceros de menor contenido de Cr, y por tanto mas baratos, con contenidos de Mn entre 1 y 3%.
El acero A2 se utiliza ampliamente en matriceria. Presenta una combinación de indeformabilidad, resistencia a la abrasión y tenacidad que resulta interesante para matrices de acuñar – y troqueles cortantes- de complicado diseño. Su resistencia a la abrasión resulta intermedia entre los aceros del grupo “O” y la de los aceros para matriceria del grupo “D”; pero con mayor tenacidad.
La temperatura recomendadas para forjar son 1100º-900ºC. Para recocido 880º-890ºC. Para temple 950-980ºC.
En piezas de diseño complicado suele recomendarseel “temple interrumpido”. En efecto, la curva TTT de este acero, muy alejada del origen de tiempos y con una laguna entre la curva perlitica y la bainitica (ver figura X.2) que permite interrumpir el enfriamiento de temple en un baño de sales fundidas a 500-550ºC. Se logra así uniformizar, a esa temperatura, la periferia y núcleo de la pieza sin que llegue a iniciarse la transformación de la austenita. A continuación, desde esa temperatura, la austenita puede enfriarse al aire- sin apenas gradiente de temperatura entre periferia y núcleo de la pieza- para obtener martensita practicamente exenta del riesgo de deformaciones.

La laguna existente entre la zona perlitica y bainitica de las curvas TTT de algunos de estos aceros permite también el tratamiento termo mecanico de “ausforming” que se aplica con resultados satisfactorios a aceros para matriceria y a aceros inoxidables (ref. III.3).
Con revenidos a 200ºC suele lograrse la mejor combinación de resistencia al desgaste y tenacidad, quedando las piezas con una dureza de empleo de 60 a 62 HRc. Cuando prima la resistencia al choque el revenido suele hacerse a 350ºC y se obtienen durezas de 57-59 HRc. En ocasiones se recomiendan tratamientos subcero; o, mejor, dos revenidos para –en el segundo- revenir la martensita, o la vainita, obtenida en el primer revenido.
El acero A6, por sus menores contenidos en carbono y cromo , suele emplearse para matrices y cortantes sometidas a esfuerzos de flexión como sucede en el corte de chapas gruesas. Las piezas de esteacero pueden introducirse sin precalentamiento en horno a 830-870ºC; manteniéndose durante unos 20 minutos prolongados con fracciones de 5 minutos por pulgada de espesor antes del enfriamiento al aire. La dureza de temple es 61-63 HRc y la dureza normal de utilización –luego de revenido a 200ºC- es de 59-60 HRc.
A algunos de estos aceros para matriceria, por ejemplo al acero AS9, se les puede aplicar ventajosamente el tratamiento termo mecanico de “marforming”.

Categoría Acero
Clase Herramienta de acero
Tipo Acero de trabajo en frío
Designaciones Francia: AFNOR Z 100 CDV 5
Alemania: DIN 1.2363
Suecia: SS 2260
Reino Unido: BA BS 2
Estados Unidos: ASTM A681, FED QQ-T-570, SAE J437, SAE J438, UNS T30102


4.2 ACEROS PARA MATRICES DE ESTAMPAR EN FRIO
En la Tabla X.5 puede advertirse que los aceros de este grupo autotemplantes –según la clasificación AISI grupo “D” (de “die”, matriz)- tienen 12% de Cr. Pueden por tanto encuadrase entre los aceros inoxidables martensiticos. Y había cuenta de sus elevados porcentajes de carbono y cromo resultan ser aceros ledeburitico.
La solidificación de estos aceros finaliza dando lugar a una matriz eutéctica de austenita (de C>2.11%)y carburos primarios. Por tanto, luego de solidificar, los tochos deben someterse a una forja de desbaste a muy alta temperatura, para dispersar esos carburos ledeburiticos (empezando con pequeños golpes para trocear la matriz ledeburitica y prosiguiendo luego con mayores deformaciones); ya que la tenacidad depende en buenaparte de la distribución uniforme de los carburos y de su tamaño.la forja para conformado de la herramienta suele hacerse a temperaturas entre 1000º y 950 ºC seguida de lento enfriamiento en cenizas.
Al igual que lo señalado a propósito de los aceros “A”, el recocido posterior a la forja – y previo al temple- debe ser de austenizacion incompleta (870º-900ºC); con lento enfriamiento en horno (15-20ºC/hora), o con enfriamiento isotérmico.
Los recocidos isotérmicos –pasando las piezas desde la temperatura de austenizacion incompleta a otro horno a temperatura mas baja, y constante, que posibilite la transformación de austenita a “perlita”- resultan interesantes para herramientas individuales o para pequeños lotes. Cuando se trata de piezas numerosas y grandes cargas no siempre resultan faciles de realizar: por la dificultad de trasladar las piezas con suficiente rapidez de uno a otro horno (incluso aunque se disponga de hornos continuos).
Por su alto contenido de cromo la conductividad térmica de los aceros “D” es inferior a la de los aceros “A” y deben ser calentados mas lentamente que estos. Y precalentar a 800ºC antes de austenizacion(a esa temperatura, con 12%Cr, aun no se ha sobrepasado Ae).
Son aceros cuya resistencia a la abrasión y al desgaste supera a la de los aceros “A”. Si bien, recíprocamente, su maquinabilidad resulta inferior a la de estos. Su templabilidad supera a lo de los aceros “A”: por temple al aire llegan a alcanzarse 250mm. La temperatura Mf, por mas aleados, es baja en los aceros de 12%de Cr. Por ello, a temperatura ambiente, la proporción de austenita residual después de temple puede llegar a ser del orden del 20 a 30 %. Para la eliminación de esta se deben dar dos revenidos a la herramienta.

El acero D2, por su menor contenido en carbono (igual al del D5 pero sin cobalto) es mas resistente al choque de todos estos aceros de 12%Cr. Su dureza luego de temple desde 980-1025ºC es de 62-64HRc. Para piezas de geometría compleja se recomienda el temple interrumpido en baño de sales, seguido de enfriamiento al aire. La dureza habitual de utilización, luego del revenido a 150º-300ºC es de 61-63HRc (para calibres, plantillas, guías) o de 56-58 HRc (para matrices de estampar, punzones, y herramientas sometidas a choques).
El acero D4; de gran resistencia a desgaste y a la abrasión, presenta particular interés para matrices de estampado y conformado. También se emplea para cortantes de chapa fina, peines de roscar, escariadores y , en general, herramientas destinadas a trabajar en grandes series con rendimientos elevados. Su dureza de temple es de 63-65HRc y la dureza normal de utilización de 62-64HRc. Si bien cuando se desea mayor tenacidad suele revenirse hasta 50-60HRc.

5 ACEROS DE MEDIA Y ALTA ALEACION PARA TRABAJOS EN CALIENTE
Se emplean para matrices de forja, de estampación, de extrusión en caliente; así como para herramientas de cizallado en caliente, punzonado, fundición de metales por inyección, etc. Son aceros utilizados para fabricar herramientas que hayan de trabajar habitualmente atemperaturas comprendidas entre 330º y 500ºC.
Requieren un conjunto de propiedades a las temperaturas de servicio: dureza, resistencia al desgaste y a la abrasión, resistencia compresión, tenacidad, resistencia al choque térmico producido por una enérgica refrigeración a la fatiga térmica, etc.
Siempre es característica prioritaria de estos aceros que no ablanden durante el servicio aunque deban permanecer prolongadamente a esas temperaturas. Por tanto, la temperatura de revenido de la herramienta debe superar la temperatura de trabajo. Lo que equivale a afirmar que, a diferencia de los aceros para trabajos en frio, deben utilizarse luego de temple y revenido no bajo. Este se realiza, según los casos, a temperaturas entre 400 y 600 ºC. Deben lograrse durezas del orden de 40 a 55 HRc a la temperatura de servicio.
En la TablaX6 se señalan los aceros recomendados por AISI, clasificados como grupo “H” (“hot work”), para herramientas destinadas a trabajos en caliente. Se destacan claramente dos familias: una con practicamente 5% Cr y otra –también con cromo- pero ademas con 10-18%W.

Comparativamente al resto de los aceros para herramientas, todos los de este grupo presentan contenido bajos en carbono; lo que es favorable para la tenacidad. Ademas, cuanto menor es el contenido en carbono de un acero mas alta es su temperatura de final solidificación Te. Y eso es ventajoso porque las juntas de grano mantienen su resistencia a la deformación intergranular, y por tanto su resistencia al calor, hasta temperaturasmas altas.
En cuanto a tenacidad, ya que esta aumenta al elevar la temperatura, suele recomendarse precalentar las herramientas a unos 300ºC antes de su inmediata puesta en servicio.
Son aceros de media o alta aleación: para gran templabilidad y posibilitar así su temple en aire. Para lograr mas penetración de temple cuando las piezas son de tamaño grande se puede aumentar la severidad del agente refrigerante. En ese caso se utiliza chorro de aire, o se templan en aceite; nunca en agua. Y debido a la alta templabilidad de estos aceros nunca se les aplica el tratamiento teórico de normalizado (resultaría ser un temple).
Por tratarse de aceros de media o alta aleación pueden repetirse aquí la consideración señaladas anteriormente –a propósito de los aceros para trabajos en frio- en lo que respecta a:
1) Lentitud en el calentamiento hasta la austenizacion (con estabilización en temperatura antes de alcanzar Ae)
2) Recocidos supercríticos y lentitud en el enfriamiento continuo (a 20C/hora); o enfriar isotérmicamente en la zona perlitica,
3) Temperaturas altas para temple (1000º-1200ºC) a fin de aumentar el porcentaje de elementos disueltos en la austenita.
4) Procurar evitar la descarburación periférica (aunque, por su menor carbono, resultan mas resistentes que otros aceros de herramientas)
5) Temple interrumpido en bajo de sales.
6) Mas de un revenido, etc.
La dureza a alta temperatura se consigue mediante la presencia de elementos carburigenos en la composición del acero. Los carburos proporcionanresistencia al desgaste. El cromo, ademas de carburigeno, mejora la resistencia a la oxidación en caliente y contribuye a la formación de carburos múltiples y complejos (mas duros) con los otros carburigenos.
De otra parte, los elementos carburigenos Mo, W, V /por ser alfagenos/ elevan la temperatura Ae< y con ello la posibilidad de revenir la martensita a muy alta temperatura sin que pueda iniciarse la transformación alotrópica α γ. Ello que permite revenir a temperaturas superiores a 600ºC, para obtener endurecimiento estructural.
Permite también conservar esa dureza secundaria si la herramienta llegara a alcanzar aquella temperatura durante el servicio. Y habida cuenta de la correlación entre temperatura y tiempo -v.gr un revenido de dos horas a 650ºC equivale a un revenido a 535 ºC durante 1000 horas-, una herramienta así revenida a 650ºC conservara su dureza durante 1000 horas.
En muchas ocasiones es preciso refrigerar la herramienta con agua durante el servicio. Ello no supone riesgos temple, ya que nunca se supera la temperatura Ae durante el trabajo en caliente. Sin embargo esa refrigeración si que conlleva un choque térmico por diferencia entre la temperatura de la superficie de trabajo de la herramienta y la capa subyacente.
Durante el servicio de la herramienta –incluso sin refrigeración – se produce dilataciones y contracciones entre la periferia y la capa subyacente: lo que genera esfuerzos alternativos de tracción y compresión que pueden nuclear grietas de fatiga. Para un buen comportamiento a lafatiga térmica conviene que los aceros de esta familia presenten un alto límite elastico. De ahí también la ventaja de los revenidos altos para lograr la maxima dureza en caliente. Ademas, debido a esa alta temperatura de revenido, las herramientas quedan practicamente exentas de tensiones residuales. Con todo, al comparar dos aceros de igual límite elastico a la temperatura de servicio, resultara mas resistente a fatiga térmica al menos aleado; ya que los aleantes disminuyen la conductividad térmica del acero.
Por temple y revenido se obtiene la dureza periférica necesaria para la mayor parte de las aplicaciones: 40 a 52 HRc. Pero cuando es necesario aumentar la dureza superficial –aunque con ello aumenta también el riesgo de agrietamiento por fatiga térmica- se puede emplear el tratamiento termoquímico de nitruración ya que los aceros contienen Cr, V, Mo. Este tratamiento suele utilizarse para aumentar la duración de matrices destinadas a extrusión en caliente. Recuérdese que, para nitrurar, debe eliminarse toda decarburacion periférica; la estructura previa debe ser martensita revenida. Y conviene que la capa nitrurada obtenida sea delgada: del orden 0.1 a 0.2 mm ya que para mayores espesores aumenta su fragilidad.
Con los aceros del grupo de 5%Cr se fabrican herramientas para moldeo de fundición inyectada –de Al y aleaciones ligeras-, o de Zn. También se utilizan para otras aplicaciones: para extruir Al o Mg; para estampas, para matrices y cizallas en caliente, etc.
Se reduce a los aceros de %w