Optimización del rendimiento de matrices para trabajo en caliente: tratamientos térmicos y superficiales avanzados

El rendimiento de la matriz se ve afectado por la tecnología de tratamiento térmico, ya que la tenacidad del acero para matrices puede aumentarse mediante tratamiento térmico, mejorando enormemente la vida útil de la matriz. Las condiciones de trabajo de las matrices para trabajo en caliente son muy duras y complejas, pues están en contacto directo con la brida caliente o el metal líquido y se calientan y enfrían repetidamente durante todo el proceso. Además, soportan cargas de choque. Por ello, los requisitos de rendimiento del acero para matrices en caliente son extremadamente estrictos. Podemos mejorar los indicadores de rendimiento de la matriz mediante tecnologías de tratamiento térmico y superficial, prolongando así su vida útil.

¿Qué es el tratamiento térmico?

El tratamiento térmico es un proceso térmico de trabajo del metal. Consiste en calentar, mantener la temperatura y enfriar el material en estado sólido para obtener la estructura y propiedades deseadas.

El tratamiento térmico de metales es uno de los procesos importantes en la fabricación mecánica. A diferencia de otros procesos, generalmente no cambia la forma ni la composición química global de la pieza. El tratamiento térmico mejora el rendimiento de la pieza modificando su microestructura interna o la composición química de su superficie. Mejora la calidad intrínseca de la pieza, un cambio que generalmente no es visible a simple vista.

Acero para matrices de trabajo en caliente

El acero para matrices de trabajo en caliente se utiliza para fabricar matrices que deforman metales en estado caliente, incluyendo matrices de forja en caliente, matrices de extrusión en caliente, matrices de fundición a presión y matrices de forja de alta velocidad.

Condiciones de trabajo y requisitos de rendimiento del acero para matrices en caliente

La matriz de trabajo en caliente soporta grandes fuerzas de impacto, la cavidad está en contacto con metal a alta temperatura y sufre ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento; sus condiciones de uso son severas. Para cumplir los requisitos, el acero debe tener:

• Alta resistencia a alta temperatura y buena tenacidad.
• Buena resistencia al desgaste y alta estabilidad térmica.
• Excelente resistencia a la fatiga térmica y alta templabilidad.
• Buena conductividad térmica y buena aptitud para el conformado.

Aleación

El contenido de carbono en el acero para matrices en caliente se mantiene generalmente entre 0,3 % y 0,6 % para obtener la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y tenacidad requeridas. Un contenido demasiado alto reduce la tenacidad y la conductividad térmica; uno demasiado bajo dificulta garantizar resistencia, dureza y resistencia al desgaste.

El cromo mejora la templabilidad y la estabilidad al revenido. La coexistencia de níquel y cromo no solo mejora la templabilidad sino también las propiedades mecánicas globales. El manganeso aumenta la templabilidad y la resistencia pero reduce la tenacidad. El molibdeno, wolframio, vanadio, etc., pueden producir endurecimiento secundario, mejorando la dureza al rojo, la estabilidad al revenido, la resistencia a la fatiga térmica y el refinamiento del grano.

Proceso de tratamiento térmico

El proceso generalmente incluye tres etapas: calentamiento, mantenimiento de temperatura y enfriamiento; a veces solo calentamiento y enfriamiento. Estas etapas son continuadas e inseparables.

Calentamiento

Es uno de los procesos importantes, con muchos métodos. Los primeros usaban carbón y coque como fuente de calor; luego combustibles líquidos y gaseosos. La electricidad facilita el control y evita la contaminación ambiental.

Al calentar el metal, al estar expuesto al aire suelen producirse oxidación y descarburación, perjudiciales para las propiedades superficiales tras el tratamiento. Por ello, el metal debe calentarse en atmósfera controlada o protectora, en sales fundidas, en vacío, o con recubrimientos y envases protectores. La temperatura de calentamiento es un parámetro clave y su selección y control son esenciales para garantizar la calidad.

Mantenimiento de temperatura

La temperatura varía según el objetivo y el material, pero generalmente se calienta por encima de la temperatura de transformación de fase para obtener una estructura de alta temperatura. La transformación requiere tiempo, por lo que cuando la superficie alcanza la temperatura requerida, debe mantenerse un tiempo para que las temperaturas interna y externa se igualen y la microestructura se transforme completamente. Este período se llama tiempo de mantenimiento.

Enfriamiento

Paso indispensable en el tratamiento térmico. El método varía según el proceso, controlando principalmente la velocidad de enfriamiento. Generalmente, el recocido es el más lento, el normalizado más rápido y el temple el más veloz. Pero hay diferentes requisitos según el grado de acero.

Tecnología de tratamiento superficial del acero para matrices

Las técnicas comunes de refuerzo superficial son: tratamiento químico-térmico, refuerzo superficial por haz de energía alta y deposición física o química de vapor.

Tratamientos químico-térmicos habituales: cementación, nitruración, boruración, etc. Son procesos tradicionales con bajo coste y alta fiabilidad, y muchas opciones.

La tecnología de refuerzo superficial por haz de energía alta se caracteriza por velocidad de calentamiento rápida, poca deformación de la pieza, sin medio de enfriamiento, buena controlabilidad y fácil automatización. Entre ellas, la modificación superficial por láser es la más investigada. Actualmente, la investigación en tratamiento superficial por láser aprovecha su buena controlabilidad y poca influencia en el sustrato, combinándola con otras tecnologías para nuevos procesos.

La deposición de vapor se divide en deposición química (CVD) y física (PVD). Estos métodos forman principalmente un recubrimiento cerámico en la superficie de la matriz, pero el mayor problema es que la expansión térmica del recubrimiento cerámico no coincide con la matriz de acero, causando agrietamiento prematuro. Por tanto, la nitruración por plasma antes del recubrimiento cerámico mejora eficazmente la adherencia y prolonga significativamente la vida de la matriz de trabajo en caliente. Sin embargo, diversos recubrimientos cerámicos, ya sean monocapa, multicapa o combinados con nitruración, inevitablemente causan diferencias de expansión térmica con la matriz, afectando el comportamiento a fatiga térmica. Por ello se necesita un sistema de recubrimiento compuesto. Este sistema dota a la superficie del molde de fundición a presión de funciones antiadherentes, antidesgaste, antioxidantes y resistentes al desgaste. Su mayor característica es reducir la transferencia de calor al molde, ralentizar el cambio de temperatura y mejorar la resistencia a la fatiga térmica del acero.

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