¿Qué materiales hacen que las matrices de estampación sean robustas y precisas? Las matrices de estampación requieren una gran durabilidad y precisión, y materiales como el acero, el carburo y diversas aleaciones desempeñan un papel fundamental. Este artículo analiza los pros y los contras del acero al carbono para herramientas, el acero rápido y materiales innovadores como el carburo ligado al acero. Aprenda cómo influye cada material en el rendimiento y la longevidad de las matrices de estampación, y comprenda cuál es el más adecuado para sus necesidades específicas de fabricación. Sumérjase en los aspectos esenciales de los materiales de las matrices de estampación y optimice su proceso de producción.
Los materiales utilizados en la producción de matrices de estampación incluyen acero, carburo cementado, carburo cementado con aglomerante de acero, aleaciones a base de zinc, aleaciones de bajo punto de fusión, bronce de aluminio y materiales poliméricos.
En la actualidad, el principal material utilizado para la fabricación de matrices de estampación es el acero. Los materiales comúnmente utilizados para las piezas de trabajo de las matrices incluyen acero para herramientas al carbono, acero para herramientas de baja aleación, acero para herramientas de alto carbono y alto cromo o cromo medio, acero de aleación de carbono medio, acero rápido, acero base, aleación dura y aleación dura ligada con acero.
Los aceros al carbono para herramientas, como el T8A y el T10A, se utilizan mucho en la fabricación de moldes debido a su excelente maquinabilidad y rentabilidad. Estos aceros suelen contener entre 0,7% y 1,3% de carbono, lo que proporciona un buen equilibrio entre dureza y tenacidad tras el tratamiento térmico. Sus favorables características de procesado permiten un mecanizado, rectificado y pulido eficientes, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones de moldes.
Sin embargo, los aceros al carbono para herramientas tienen limitaciones que deben tenerse en cuenta en el diseño y la producción de moldes:
A pesar de estos inconvenientes, los aceros al carbono para herramientas siguen siendo una opción viable para muchas aplicaciones de moldes, sobre todo para series cortas, procesos de moldeo a baja temperatura o cuando la sustitución frecuente de moldes es económicamente viable. Para mitigar algunas limitaciones, pueden aplicarse tratamientos superficiales como la nitruración o el cromado duro para mejorar la resistencia al desgaste y la dureza superficial.
El acero para herramientas de baja aleación es una variante avanzada del acero para herramientas al carbono, diseñado con elementos de aleación cuidadosamente seleccionados para mejorar sus propiedades mecánicas y metalúrgicas. Esta clase de acero suele contener entre 1 y 5% de elementos de aleación totales, que mejoran significativamente sus características de rendimiento en comparación con los aceros para herramientas al carbono simples. La adición de elementos como el cromo, el tungsteno, el manganeso, el vanadio, el níquel y el molibdeno en proporciones precisas da como resultado un material que presenta una mayor templabilidad, resistencia al desgaste y estabilidad dimensional durante el tratamiento térmico.
A diferencia del acero al carbono para herramientas, el acero de baja aleación para herramientas ofrece varias ventajas clave:
En la fabricación de moldes se suelen emplear varios grados de aceros de baja aleación, cada uno de ellos adaptado a aplicaciones específicas:
Al seleccionar un acero para herramientas de baja aleación para la fabricación de moldes, deben considerarse cuidadosamente factores como el tamaño del molde, la complejidad, el volumen de producción y las condiciones de funcionamiento para optimizar el rendimiento y la longevidad.
Los aceros para herramientas con alto contenido en carbono y cromo, como Cr12, Cr12MoV y Cr12Mo1V1 (AISI D2), se utilizan ampliamente en la industria de herramientas debido a sus excepcionales propiedades. Estos materiales presentan una excelente templabilidad, una resistencia superior al desgaste y cambios dimensionales mínimos tras el tratamiento térmico. Su capacidad de carga sólo es superada por la de los aceros rápidos, lo que los hace ideales para aplicaciones de alto esfuerzo en operaciones de conformado y corte de metales.
La superior resistencia al desgaste de estos aceros se debe a su alto contenido en carbono (normalmente 1,4-2,2%) y a los importantes niveles de cromo (11-13%), que forman carburos duros durante el tratamiento térmico. Estos carburos, principalmente carburos de cromo, contribuyen a la extraordinaria resistencia a la abrasión y a las propiedades de retención del filo del acero.
Sin embargo, un problema notable de estos aceros es su tendencia a la segregación de carburos durante la solidificación y el procesamiento primario. Esta segregación puede dar lugar a propiedades mecánicas anisótropas y reducir el rendimiento global. Para mitigar este problema, los fabricantes emplean una serie de tratamientos termomecánicos, que incluyen operaciones repetidas de recalcado y estirado. Este proceso, que incluye el recalcado axial y la embutición radial, ayuda a romper las redes de carburo, refinar la microestructura y conseguir una distribución más uniforme del carburo por todo el material.
La optimización de la distribución del carburo mediante estos procesos aumenta significativamente el rendimiento del acero, mejorando su tenacidad, maquinabilidad y consistencia general. Esto es especialmente importante en las aplicaciones de herramientas de precisión, en las que la estabilidad dimensional y unas características de desgaste uniformes son primordiales.
Al seleccionar y procesar estos aceros para herramientas, es esencial tener en cuenta los requisitos específicos de la aplicación, los protocolos de tratamiento térmico y la posible necesidad de tratamientos superficiales avanzados como la nitruración o los recubrimientos PVD para mejorar aún más su rendimiento en entornos exigentes.
Los aceros para herramientas con alto contenido en carbono y cromo medio, como Cr4W2MoV, Cr6WV y Cr5MoV, se utilizan ampliamente en la fabricación de moldes debido a sus propiedades superiores. Estas aleaciones suelen contener 0,5-1,5% de carbono y 4-6% de cromo, con lo que consiguen un equilibrio óptimo entre dureza y tenacidad. Su composición da lugar a una microestructura caracterizada por carburos finamente dispersos dentro de una matriz de martensita templada.
Las principales ventajas de estos aceros son
Estas propiedades hacen que los aceros al cromo medio con alto contenido en carbono sean especialmente adecuados para moldes de inyección, matrices de fundición a presión y otras aplicaciones de utillaje que requieran una combinación de resistencia al desgaste, tenacidad y estabilidad dimensional. Con un tratamiento térmico adecuado, estos aceros pueden alcanzar niveles de dureza de 58-62 HRC, manteniendo al mismo tiempo una tenacidad adecuada para la mayoría de las aplicaciones de moldes.
El acero rápido (HSS) es la mejor elección entre los aceros para troqueles, ya que ofrece una dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la compresión sin igual. Su excepcional capacidad de carga lo hace ideal para aplicaciones de gran esfuerzo en la fabricación de herramientas y moldes. Las calidades de HSS más utilizadas en la fabricación de moldes son:
Para optimizar la microestructura y las propiedades mecánicas, el acero rápido requiere un tratamiento térmico cuidadoso y a menudo se beneficia de los procesos de forja. El forjado mejora la distribución del carburo, afina la estructura del grano y mejora el rendimiento general. Este paso es crucial para alcanzar todo el potencial del material en términos de resistencia al desgaste, tenacidad y estabilidad dimensional en aplicaciones de moldes.
La selección de la calidad de HSS adecuada depende de los requisitos específicos del molde, del volumen de producción y de consideraciones económicas. Aunque el HSS ofrece un rendimiento superior, es importante equilibrar su mayor coste con la vida útil esperada de la herramienta y las mejoras de productividad en el diseño del molde y los procesos de fabricación.
Los aceros base representan una clase avanzada de aceros para herramientas diseñados modificando cuidadosamente la composición de los aceros rápidos (HSS) mediante un ajuste preciso de la aleación y el contenido de carbono. Esta optimización metalúrgica mejora sus características generales de rendimiento. Estos aceros conservan los principales atributos del acero rápido, pero ofrecen una mayor resistencia al desgaste, dureza, resistencia a la fatiga y tenacidad.
La combinación única de propiedades de los aceros base los hace especialmente adecuados para aplicaciones de matrices de trabajo en frío. Ofrecen un perfil equilibrado de alta resistencia y tenacidad, crucial para soportar las tensiones cíclicas y los impactos que se producen en los procesos de conformado de metales. Además, los aceros base constituyen una alternativa rentable a los aceros rápidos tradicionales, ya que ofrecen prestaciones comparables con un coste de material inferior.
Varias calidades de aceros comunes han adquirido importancia en la fabricación de matrices:
Estas calidades de acero base ofrecen a los fabricantes de matrices una gama de opciones para satisfacer los requisitos específicos de cada aplicación, equilibrando factores como la resistencia al desgaste, la tenacidad y la rentabilidad en las operaciones de trabajo en frío.
Los carburos cementados, en particular los compuestos de carburo de tungsteno y cobalto (WC-Co), ofrecen una dureza y una resistencia al desgaste superiores a las de los aceros para matrices convencionales. Estas propiedades los hacen muy valiosos en aplicaciones de alto desgaste dentro de la industria del moldeo. Sin embargo, su resistencia a la flexión y su tenacidad, relativamente inferiores, exigen una consideración cuidadosa en el diseño y la aplicación de las matrices.
El rendimiento de los carburos cementados puede adaptarse ajustando el contenido de cobalto:
Entre los avances recientes en la tecnología del carburo cementado cabe citar:
Al seleccionar carburos cementados para aplicaciones de moldeo, tenga en cuenta:
Aunque los carburos cementados ofrecen un rendimiento excepcional frente al desgaste, su aplicación suele requerir consideraciones de diseño especializadas, como geometrías que alivien la tensión y técnicas de pretensado adecuadas, para mitigar su fragilidad inherente y optimizar su longevidad en entornos de moldeo exigentes.
El carburo cementado con ligante de acero es un material compuesto avanzado producido mediante sofisticadas técnicas pulvimetalúrgicas. Este innovador material utiliza polvo de hierro como aglutinante primario, mejorado con elementos de aleación cuidadosamente seleccionados, como cromo, molibdeno, tungsteno y vanadio. La fase dura consiste en carburo de titanio (TiC) o carburo de wolframio (WC), que confieren al material compuesto una resistencia al desgaste y una dureza excepcionales.
La matriz de acero de este material ofrece una combinación única de propiedades que aborda las limitaciones de los carburos cementados tradicionales. Al aprovechar la ductilidad y tenacidad del acero, los carburos cementados con aglomerante de acero superan la fragilidad y las dificultades de procesamiento asociadas a los carburos cementados convencionales. Esto permite una amplia gama de opciones de procesamiento secundario, incluidos el corte, la soldadura, la forja y el tratamiento térmico, lo que aumenta significativamente la versatilidad del material en las aplicaciones de fabricación.
Aunque la dureza y la resistencia al desgaste de los carburos cementados con ligante de acero son ligeramente inferiores a las de los carburos cementados tradicionales, siguen superando sustancialmente a los aceros convencionales en estos aspectos. La microestructura del material, caracterizada por una alta concentración de carburos uniformemente dispersos dentro de la matriz de acero, contribuye a sus propiedades mecánicas superiores. Tras procesos optimizados de tratamiento térmico, incluidos el temple y el revenido, la dureza de los carburos cementados con ligante de acero puede alcanzar unos impresionantes 68 a 73 HRC (escala Rockwell C), lo que los hace adecuados para aplicaciones exigentes de resistencia al desgaste.
La combinación única de dureza, resistencia al desgaste y procesabilidad hace que los carburos cementados con ligante de acero sean especialmente valiosos en industrias como la minería, el petróleo y el gas, y la maquinaria pesada, en las que los componentes están sometidos a entornos abrasivos y erosivos severos, al tiempo que requieren geometrías complejas o modificaciones posteriores a la fabricación.
En las matrices de estampación, los materiales blandos se refieren a aceros con una dureza aproximada de HRC 35. Ejemplos comunes son el acero 45#, el A3 y el Q235. Algunos ejemplos comunes son el acero 45#, el A3 y el Q235. Estos materiales poseen una dureza relativamente baja y se valoran por su buena resistencia al impacto y su mecanizabilidad.
Características clave de los materiales blandos en las herramientas de prensado:
Los materiales duros de las matrices de estampación son aceros de alta resistencia con un rango de dureza de HRC 58 a 62 o superior tras el tratamiento térmico. Algunos ejemplos comunes son Cr12, Cr12Mo1V1, Cr12MoV, SKD-11, SKD-51 y W6Mo5Cr4V2 (acero al tungsteno).
Características clave de los materiales duros en las herramientas de prensado:
La selección entre materiales blandos y duros en el diseño de herramientas de estampación depende de la función específica del componente, la resistencia al desgaste requerida y los objetivos generales de rendimiento de la herramienta. La selección óptima del material y los procesos de tratamiento térmico son cruciales para lograr el equilibrio deseado entre dureza, tenacidad y resistencia al desgaste en los componentes de las matrices de estampación.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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