Acero para Herramientas: La Aleación Definitiva para Corte de Precisión

La composición metálica y 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 vienen tanto de su química como de su producción. Como su nombre indica, estos aceros están listos para trabajar cortando, rectificando, taladrando, punzonando, golpeando, o haciendo otros trabajos duros. Los aceros para herramientas deben tener las propiedades materiales correctas para su aplicación. Por ejemplo, una broca y un punzón cada uno necesitan dureza y resistencia al desgaste. Sin embargo, el punzón experimenta más impacto mientras la broca experimenta más cizallamiento. Ingenieros y metalúrgicos eligen el tipo de acero para herramientas basado en el uso de la herramienta.

Los aceros para herramientas todos 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 descomponerse bajo presión, químicos o calor.

No es solo la química lo que hace un acero para herramientas, sin embargo. Un acero para herramientas también obtiene su dureza de un tratamiento térmico y temple precisamente controlados.

Endurecimiento de acero para herramientas por temple

Temple (Quenching) es un proceso para endurecer acero cambiando su microestructura.

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

Una vez alcanzado el calor correcto y mantenido, la aleación se templa, o enfría, mediante exposición a un gas o líquido mucho más frío. Este temple congela el metal rápidamente. Cuando el metal se congela por choque así, muchos granos cristalinos diminutos 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 flores circulares más grandes. Los granos de metal enfriados lentamente pueden moverse unos past otros cuando el metal es golpeado, abollando el metal pero no rompiéndolo. La congelación por choque da a la estructura molecular menos espacio para moverse al ser golpeado, haciéndolo más duro, menos propenso a abollarse. La red molecular en estas estructuras se llama martensita, y es la estructura molecular choqueada y dentada de la martensita la que da a los metales templeados su dureza característica.

El temple en agua es la forma más rápida de templar, y el temple en aire la más lenta. Lo que la aleación puede manejar depende de su química. Algunas aleaciones podrían agrietarse o distorsionarse si se enfrían demasiado rápido pero endurecerán bien en un temple en aire más gentil. Otras no harán una capa dura de martensita a menos que sean chocadas por un gran cambio de temperatura como el del agua.

Categorías de acero para herramientas

Hay seis categorías amplias de acero para herramientas. Las cuatro más comunes son endurecidas en agua, trabajo en frío, trabajo en caliente, y aceros para herramientas de alta velocidad. Aplicaciones especializadas también usan aceros resistentes al choque y de propósito especial.

1. Endurecidos en agua (W-Series)

   Este grupo de aceros para herramientas es esencialmente acero al carbono que ha sido tratado térmicamente. Tienen 0,5–1,5 % de carbono. Otros elementos de aleación pueden estar presentes por sus diferentes cualidades, pero estos son generalmente bajo 0,5 %. Estos metales, como níquel, tungsteno o molibdeno, son caros. Usar menos del metal costoso ofrece valor para aplicaciones de servicio ligero.

   El choque extremo del temple en agua es necesario con este grupo de aceros para obtener una capa externa dura. Herramientas de servicio ligero, piezas pequeñas como resortes, y sujetadores pequeños son productos finales probables. No deben usarse en ambientes extremos porque los aceros serie W son un poco más frágiles que otros aceros para herramientas. Los aceros serie W son más vulnerables a agrietamiento y solo pueden manejar temperaturas continuas a 150 °C (302 °F).

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. Como cortar materiales fríos puede requerir más fuerza que cortar materiales calientes, la resistencia a compresión es obligatoria en acero para herramientas de trabajo en frío.

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

   Las subcategorías de acero para trabajo en frío son:

   • Endurecidos en aceite (Serie O): Durante la producción, estas aleaciones se templan en aceite. Tienen 0,85–2,00 % de carbono, y usualmente menos del 1 % de cada otro elemento de aleación. Estos elementos pueden incluir manganeso, silicio, tungsteno, cromo, vanadio y molibdeno.
   • Endurecidos en aire (Serie A): Durante la producción, estas aleaciones se templan en aire. Tienen 0,05–2,85 % de carbono. Estos aceros pueden contener hasta 5 % de cromo. El alto cromo significa que durante el tratamiento térmico la serie A no sufrirá distorsión dimensional. El cromo produce tolerancias más cercanas.
   • Alto carbono cromo (Serie D): Estos aceros de trabajo en frío funcionan hasta 425 °C (797 °F). Contienen 1,4–2,5 % de carbono, y 11–13 % de cromo. Pueden templearse en aire o aceite, dependiendo de la aleación, y experimentan muy poca distorsión en cualquiera de los métodos de enfriamiento. Estas aleaciones generalmente tienen resistencia a la abrasión muy alta.

3. Acero para herramientas de trabajo en caliente

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

   El acero para herramientas de trabajo en caliente se usa a menudo en manufactura a alta temperatura con material maleable caliente como metal y vidrio. Matrices, estampas, extrusoras y compresoras pueden hacerse con acero de trabajo en caliente. La herramienta debe seguir funcionando incluso en exposición prolongada al calor.

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

   Las subcategorías de acero para trabajo en caliente son:

   • Cromo: Los aceros para herramientas de trabajo en caliente de cromo tienen 3–5 % de cromo. Otros elementos de aleación como tungsteno, vanadio o molibdeno están bajo 5 %. El vanadio se usa generalmente en el acero usado para herramientas de corte. Este grupo de aleaciones (y específicamente AISI H13) son las herramientas de trabajo en caliente más usadas.
   • Tungsteno: Estas aleaciones a menudo no contienen molibdeno o vanadio. En su lugar contienen 9–18 % de tungsteno. La mayoría de aceros de trabajo en caliente de tungsteno tienen entre 2–4 % de cromo. Esto no es universalmente cierto: por ejemplo, la aleación AISI H23 tiene 12 % de cromo y 12 % de tungsteno. H23 a veces se llama acero de cromo, a veces de tungsteno, y a veces ambos. Los aceros de tungsteno proporcionan excelente resistencia al calor pero pueden ser frágiles; esto se maneja precalentando a temperatura de operación antes del uso.
   • Molibdeno: Muchos aceros de trabajo en caliente de cromo tienen un poco de molibdeno en ellos. Aceros de trabajo en caliente premium para ambientes muy duros tienen mucho. El molibdeno crea estabilidad a mayor calor y resistencia al desgaste en aplicaciones severas de trabajo en caliente. Las aleaciones de molibdeno AISI H42 y H43 se usan a menudo como matrices o cortadoras en laminadores de metal para manejar el calor y fuerza de corte y forja.

4. Acero para herramientas de alta velocidad

   Los procesos de producción modernos son posibles en parte por la invención de esta clase de acero para herramientas. Herramientas de corte y brocas que corren a alta velocidad se calientan debido a fricción. La innovación de materiales de alta velocidad permitió a los mecanizados aumentar su tasa de producción.

   En 1900, el acero para herramientas de alta velocidad debutó en la Exposición de París. Una multitud de fabricantes jadeó al ver un filo de corte empezar a brillar rojo vivo debido a fricción pero continuando trabajando. Donde las velocidades de corte en los 1890s eran 1,5–9 metros por minuto, para 1905 había máquinas moviéndose a 45 metros por minuto.

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

5. Acero para herramientas resistente al choque

   Los aceros para herramientas resistentes al choque Grupo S son increíblemente fuertes, construidos para tener alta resistencia al impacto. Su resistencia no yace simplemente en la superficie o capa "choqueada" de la herramienta. Pueden usarse para resortes, cinceles, matrices de estampado, y punzones. Este grupo de aleaciones a menudo tiene muchos elementos de aleación —la mayoría vistos en otros aceros para herramientas. Sin embargo, el silicio, en el rango de 0,15–3 %, está presente en esta clase de aceros.

6. Aceros para herramientas de propósito especial

   Este grupo de aleaciones es donde van los patos raros; estos metales se usan en aplicaciones específicas y pueden incluso ser creados para un fabricante particular por un metalúrgico. Este grupo incluye aceros de baja aleación, alto hierro donde todos los otros elementos de aleación se usan escasamente. Estos son más como los aceros W económicos y también se templean en agua. La adición minúscula de otros elementos aumenta propiedades mecánicas pero mantiene costes bajos. Los aceros "molde" de bajo carbono también están en este grupo de aleaciones de propósito especial. Estos se usan para moldeo termoplástico que debe ser tolerante al calor y resistente al desgaste pero no necesita alta resistencia al impacto.

Elegir un acero para herramientas

Si diseña una máquina industrial, o compra una máquina para propósitos industriales o de manufactura, el tipo de acero para herramientas usado es importante y debe ser especificado por un ingeniero.

La necesidad de saber es diferente para individuos comprando herramientas manuales. A menudo, un fabricante de herramientas manuales ofrecerá "acero endurecido", y luego elegirá el acero basado en el uso previsto de la herramienta. Sin embargo, qué grado de acero se está usando es algo de un secreto industrial para cada fabricante de herramientas. Los fabricantes equilibran valor y tensiones del trabajo en base pieza por pieza. La mejor forma 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 recorta esquinas, el diseño de una herramienta manual se vuelve más importante que la aleación.

Herreros, fundidores y otros metalúrgicos tendrán más curiosidad, incluso a nivel de aficionado. Buscar recursos y foros en estos grupos proporciona una riqueza de información sobre qué se puede esperar y qué tipos de metal podrían ser mejores usados.

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