Acero para herramientas:acero que hace las cosas

La composición del metal y la producción de aceros para herramientas

¿Qué es el acero para herramientas?

Los aceros para herramientas son aleaciones excepcionalmente duras, tenaces o resistentes al desgaste. Sus propiedades provienen tanto de su química como de su producción. Como su nombre indica, estos aceros están listos para cortar, esmerilar, taladrar, punzonar, golpear o realizar otros trabajos difíciles. Los aceros para herramientas deben tener las propiedades materiales adecuadas para su aplicación. Por ejemplo, una broca y un punzón necesitan dureza y resistencia al desgaste. Sin embargo, el punzón experimenta más impacto mientras que la broca experimenta más corte. Los ingenieros y metalúrgicos eligen el tipo de acero para herramientas en función del uso de la herramienta.

Todos los aceros para herramientas tienen elementos de aleación que producen carburos, una red metálica densamente empaquetada que contiene un metal y carbono. Los carburos son un material refractario, lo que significa que resisten la descomposición bajo presión, productos químicos o calor.

Sin embargo, no es solo la química lo que hace un acero para herramientas. Un acero para herramientas también obtiene su dureza mediante un tratamiento térmico y enfriamiento controlados con precisión.

Endurecimiento del acero para herramientas mediante templado

Enfriamiento es un proceso para endurecer el acero cambiando su microestructura.

Primero se calienta el acero. Las aleaciones de acero se calientan a diferentes temperaturas dependiendo de la cantidad de carbono en la mezcla. El hierro y el carbono se mueven a través de diferentes "fases", en las que las moléculas toman diferentes formas, y estas fases dependen de la química general.

Una vez que se ha alcanzado y mantenido el calor adecuado, la aleación se apaga o enfría mediante la exposición a un gas o líquido mucho más frío. Este enfriamiento congela el metal rápidamente. Cuando el metal se congela por choque de esta manera, muchos pequeños granos de cristal de metal comienzan a congelarse a la vez, con mucho desplazamiento en cada grano y entre ellos. Compare esto con un enfriamiento muy lento, donde los granos se enfrían lentamente con el tiempo en floraciones circulares más grandes. Los granos de metal enfriados lentamente pueden moverse entre sí cuando se golpea el metal, abollando el metal pero sin romperlo. La congelación por choque le da a la estructura molecular menos espacio para moverse cuando se golpea, haciéndola más dura y menos propensa a abollarse. La red metálica en estas estructuras se llama martensita, y es la estructura molecular dentada e irregular de la martensita la que le da a los metales templados su dureza característica.

El enfriamiento con agua es la forma más rápida de enfriar y el enfriamiento con aire es la forma más lenta. Lo que la aleación puede manejar depende de su química. Algunas aleaciones pueden agrietarse o distorsionarse si se enfrían demasiado rápido, pero se endurecerán bien en un enfriamiento rápido con aire más suave. Otros no harán una capa de martensita dura a menos que se sorprendan por un gran cambio de temperatura como el del agua.

Categorías de acero para herramientas

Hay seis amplias categorías de acero para herramientas. Los cuatro más comunes son los aceros para herramientas endurecidos con agua, para trabajo en frío, para trabajo en caliente y de alta velocidad. Las aplicaciones especializadas también utilizan aceros para herramientas resistentes a los impactos y para propósitos especiales.

1. Endurecido al agua

   Este grupo de aceros para herramientas es esencialmente acero al carbono tratado térmicamente. Tienen 0.5-1.5% de carbono. Otros elementos de aleación pueden estar presentes por sus diferentes calidades, pero generalmente por debajo del 0,5%. Estos metales, como el níquel, el tungsteno o el molibdeno, son caros. El uso de menos del costoso metal ofrece valor para aplicaciones de servicio más livianas.

   El choque extremo de agua-apagado es necesario con este grupo de aceros para obtener una capa externa dura. Las herramientas de trabajo liviano, las piezas pequeñas como resortes y los sujetadores pequeños son probablemente productos finales. No deben usarse en entornos extremos porque los aceros de la serie W son un poco más frágiles que otros aceros para herramientas. Los aceros de la serie W son más vulnerables al agrietamiento y solo pueden soportar temperaturas continuas de hasta 302 °F (150 °C).

2. Acero para herramientas de trabajo en frío

   Los aceros para herramientas de trabajo en frío están destinados a usarse a temperaturas "frías":son duros, tenaces y resistentes al desgaste, pero no en ambientes calientes. Debido a que cortar materiales fríos puede requerir más fuerza que cortar materiales calientes, la resistencia a la compresión es imprescindible en el acero para herramientas de trabajo en frío.

   Frío, en este contexto, no significa que sea hora de que el trabajador metalúrgico se ponga un suéter. 392 °F (200 °C) y menos se considera un entorno de trabajo en frío para estas herramientas. A diferencia de muchos tipos de acero, el grafito a menudo se forma en los aceros para trabajo en frío. Este grafito hace que muchas de estas aleaciones sean mecanizables:el grafito proporciona lubricación.

   Las subcategorías de acero para herramientas de trabajo en frío son:

   • Endurecimiento al aceite (Serie O):Durante la producción, estas aleaciones se enfrían en aceite. Tienen entre 0,85 y 2,00 % de carbono y, por lo general, menos del 1 % de cada uno de los demás elementos de aleación. Estos elementos pueden incluir manganeso, silicio, tungsteno, cromo, vanadio y molibdeno.
   • Endurecimiento al aire (Serie A):Durante la producción, estas aleaciones se apagan al aire. Tienen 0,05-2,85% de carbono. Estos aceros pueden contener hasta un 5% de cromo. El alto contenido de cromo significa que durante el tratamiento térmico, la serie A no sufrirá distorsión dimensional. El cromo produce tolerancias más estrechas.
   • Cromo alto en carbono (Serie D):estos aceros para trabajo en frío funcionan hasta 797 °F (425 °C). Contienen de 1,4 a 2,5 % de carbono y de 11 a 13 % de cromo. Pueden ser enfriados con aire o aceite, dependiendo de la aleación, y experimentan muy poca distorsión en cualquiera de los dos métodos de enfriamiento. Estas aleaciones generalmente tienen una resistencia a la abrasión muy alta.

1. Acero para herramientas de trabajo en caliente

   Todos los aceros para herramientas de trabajo en caliente tienen un mayor porcentaje de elementos de aleación para crear más carburos y manejar temperaturas de trabajo más altas. Los aceros para herramientas de trabajo en caliente pueden trabajar a temperaturas de hasta 1004 °F (540 °C). Como grupo, la mayoría tiene porcentajes de carbono bajos, por debajo del 0,6%.

   El acero para herramientas de trabajo en caliente se utiliza a menudo en la fabricación a alta temperatura con materiales calientes maleables como el metal y el vidrio. Las matrices, los estampados, las extrusoras y los compresores pueden fabricarse con acero para trabajos en caliente. La herramienta debe continuar funcionando incluso en una exposición prolongada al calor.

   Hay tres tipos principales de acero para herramientas de trabajo en caliente, basados ​​en el principal elemento de aleación:cromo, tungsteno o molibdeno. Algunos tienen altos niveles de cromo y tungsteno, por lo que se clasifican como tungsteno o cromo según el fabricante. El principal elemento de aleación produce el tipo de carburo en el acero y cada carburo ofrece diferentes ventajas.

   Las subcategorías de acero para herramientas de trabajo en caliente son:

   • Cromo :Los aceros al cromo para herramientas de trabajo en caliente tienen entre un 3% y un 5% de cromo. Otros elementos de aleación como tungsteno, vanadio o molibdeno están por debajo del 5%. El vanadio se utiliza generalmente en el acero utilizado para herramientas de corte. Este grupo de aleaciones (y en concreto AISI H13) son las herramientas de trabajo en caliente más utilizadas.
   • Tungsteno :Estas aleaciones a menudo no contienen molibdeno ni vanadio. En cambio, contienen entre un 9 y un 18 % de tungsteno. La mayoría de los aceros para herramientas de trabajo en caliente de tungsteno tienen entre 2% y 4% de cromo. Esto no es universalmente cierto:por ejemplo, la aleación AISI H23 tiene un 12 % de cromo y un 12 % de tungsteno. El H23 a veces se denomina acero al cromo, a veces tungsteno y, a veces, ambos. Los aceros de tungsteno brindan una excelente resistencia al calor pero pueden ser quebradizos; esto se gestiona precalentando a la temperatura de funcionamiento antes de su uso.
   • Molibdeno :Muchos aceros al cromo para herramientas de trabajo en caliente contienen un poco de molibdeno. Los aceros premium para trabajo en caliente para entornos muy duros tienen mucho. El molibdeno crea una mayor estabilidad térmica y resistencia al desgaste en aplicaciones de trabajo en caliente severas. Las aleaciones de molibdeno AISI H42 y H43 se usan a menudo como troqueles o cortadores en molinos de metal para manejar el calor y la fuerza del corte y la forja.

2. Acero para herramientas de alta velocidad

   Los procesos de producción modernos son posibles en parte a la invención de esta clase de acero para herramientas. Las herramientas de corte y las brocas de máquina que funcionan a altas velocidades se calientan debido a la fricción. La innovación de materiales de alta velocidad permitió a los maquinistas aumentar su tasa de producción.

   En 1900, el acero para herramientas de alta velocidad se presentó por primera vez en la Exposición de París. Una multitud de fabricantes se quedó boquiabierto al ver que un borde de vanguardia comenzaba a brillar al rojo vivo debido a la fricción y aún así seguía funcionando. Donde las velocidades de corte en la década de 1890 eran de 5 a 30 pies por minuto, en 1905 había máquinas que se movían a 150 pies por minuto.

   Los aceros para herramientas de alta velocidad tienen de 14 a 18 % de tungsteno, de 3 a 5 % de cromo, de 0,6 % de carbono y otros elementos según la aplicación.

1. Acero para herramientas resistente a los golpes

   Los aceros para herramientas resistentes a los golpes del Grupo S son increíblemente fuertes, construidos para tener una alta resistencia al impacto. Su fuerza no reside simplemente en la superficie o capa "impactada" de la herramienta. Se pueden usar para resortes, cinceles, troqueles y punzones. Este grupo de aleaciones a menudo tiene muchos elementos de aleación, la mayoría de los cuales se ven en otros aceros para herramientas. Sin embargo, el silicio, en el rango de 0,15 a 3 %, está presente en esta clase de aceros.

2. Aceros para herramientas de uso especial

   Este grupo de aleaciones es donde se posan los patos raros; estos metales se utilizan en aplicaciones específicas e incluso pueden ser creados para un fabricante en particular por un metalúrgico. Este grupo incluye aceros de baja aleación y alto contenido de hierro en los que todos los demás elementos de aleación se utilizan con moderación. Estos son más parecidos a los aceros W económicos y también están templados con agua. La adición minuciosa de otros elementos aumenta las propiedades mecánicas pero mantiene bajos los costos. Los aceros de "molde" con bajo contenido de carbono también se encuentran en este grupo de aleaciones para fines especiales. Estos se utilizan para el moldeo de termoplásticos que deben ser tolerantes al calor y resistentes al desgaste, pero que no necesitan una alta resistencia a los impactos.

Elegir un acero para herramientas

Si se diseña una máquina industrial o se compra una máquina con fines industriales o de fabricación, el tipo de acero para herramientas utilizado es importante y debe ser especificado por un ingeniero.

La necesidad de saber es diferente para las personas que compran herramientas manuales. A menudo, un fabricante de herramientas manuales ofrecerá "acero endurecido" y luego elegirá el acero en función del uso previsto de la herramienta. Sin embargo, qué grado de acero se está utilizando es un secreto industrial para cada fabricante de herramientas. Los fabricantes equilibran el valor y el estrés laboral parte por parte. La mejor manera de elegir herramientas es obtener recomendaciones de profesionales en el campo, amigos y reseñas en línea, en lugar de preocuparse por la aleación en sí. Si el fabricante tiene alguna competencia metalúrgica y no toma atajos, el diseño de una herramienta manual se vuelve más importante que la aleación.

Los herreros, los fundadores y otros metalúrgicos serán más curiosos, incluso a nivel de aficionados domésticos. La búsqueda de recursos y foros en estos grupos proporciona una gran cantidad de información sobre lo que se puede esperar y qué tipos de metal se pueden usar mejor.

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