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IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO
TÉRMICO EN EL ANÁLISIS DE LA
MICROESTRUCTURA DEL ACERO H13
PARA TEXTURIZADO
HEAT-TREATMENT IMPORTANCE IN H13 TOOL STEEL
MICROSTRUCTURE ANALYSIS FOR TEXTURING
Maricruz Hernandez Hernandez
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, México
Victor Hugo Mercado Lemus
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, México
Juan Terrazas Gutiérrez
Posgrado CIATEQ, A. C., México
pág. 11557
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i1.10461
Importancia del Tratamiento Térmico en el Análisis de la Microestructura
del Acero H13 para Texturizado
Juan Terrazas Gutiérrez1
[email protected].mx
https://orcid.org/0009-0006-0431-5976
Posgrado CIATEQ, A. C.
México
Victor Hugo Mercado Lemus
victor.mercado@ciateq.mx
https://orcid.org/0000-0002-9040-4484
CONAHCYT-Corporación Mexicana de
Investigación en Materiales (COMIMSA)
México
Maricruz Hernandez Hernandez
maricruz.hernande[email protected]
https://orcid.org/0000-0001-7188-3355
CONAHCYT-Corporación Mexicana de
Investigación en Materiales (COMIMSA)
México
RESUMEN
Este trabajo aborda la importancia de la apropiada selección de un acero grado herramienta en la
industria automotriz para la producción de componentes plásticos mediante moldeo por inyección,
destacando la influencia crítica de la calidad del acabado de los moldes en la eficiencia de producción
y la rentabilidad. Se enfatiza en la selección del acero grado herramienta basada en la homogeneidad
microestructural y la ausencia de inclusiones no metálicas, considerando las condiciones de fabricación
como el mecanizado, rectificado, pulido y texturizado. La investigación destaca dos categorías de
agentes químicos utilizados en el texturizado: los agentes grabadores para revelar detalles
microestructurales y los agentes de texturizado superficial para mejorar la lubricación y adhesión.
Además, se aborda la metalografía como herramienta basicapara identificar causas microestructurales
de fallos en aceros texturizados, y se discuten técnicas de tratamiento térmico y metalografía en aceros
H13, resaltando la relación entre los parámetros de procesamiento, la microestructura y las propiedades
finales del material.
Palabras clave: moldeo por inyección, aceros grado herramienta, texturizado de superficies,
metalografía, optimización de procesos
1
Autor principal
Correspondenica: j-terrazas@live.com.mx
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Heat-Treatment Importance in H13 Tool Steel Microstructure Analysis
for Texturing
ABSTRACT
This paper addresses the importance of selecting the appropriate tool steel in the automotive industry
for the production of plastic components through injection molding, highlighting the critical influence
of mold finish quality on production efficiency and profitability. It emphasizes the selection of tool steel
based on microstructural homogeneity and the absence of non-metallic inclusions, considering
manufacturing conditions such as machining, grinding, polishing, and texturing. The research highlights
two categories of chemical agents used in texturing: etchants for revealing microstructural details and
surface texturing agents for improving lubrication and adhesion. Furthermore, it addresses
metallography to identify microstructural causes of failures in textured steels, and discusses heat
treatment and metallography techniques in H13 steels, highlighting the relationship between processing
parameters, microstructure, and the final properties of the material.
Keywords: injection molding, tool grade steels, surface texturing, metallography, process optimization
Artículo recibido 24 enero 2024
Aceptado para publicación: 27 febrero 2024
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INTRODUCCIÓN
La metalografía es una herramienta indispensable para la comprensión de las microestructuras y por
ende de las propiedades mecánicas de los metales y sus aleaciones, así como en la prevención de fallas,
procesos de control de calidad y desarrollo de materiales. De esta manera, Es necesario conocer las
bases teóricas de la microestructura de los materiales para definir el procedimiento y preparación
adecuados de la muestra en específico.
Los aceros grado herramienta se preparan para exámenes macroscópicos y microscópicos utilizando los
mismos procedimientos básicos usados para los aceros al carbono y aleaciones (Voort, 2004). A
menudo, los aceros grado herramienta son más difíciles de preparar para el examen que los aceros al
carbono y las aleaciones porque están altamente aleados y generalmente se les trata térmicamente para
obtener una dureza mucho mayor. Algunos aspectos específicos en la preparación del acero grado
herramienta que necesitan ser considerados son: a) Precipitación de carburos: Los aceros grado
herramienta a menudo contienen una alta concentración de carburos, los cuales pueden ser difíciles de
pulir. Se debe tener cuidado para evitar el sobre-pulido, que puede eliminar los carburos de la superficie
de la muestra. b) Dureza: Los aceros grado herramienta a menudo son muy duros, lo que puede dificultar
su rectificado y pulido. A menudo se requieren ruedas de rectificado de diamante y compuestos de
pulido. c) Tratamiento térmico: El tratamiento térmico del acero grado herramienta puede afectar su
microestructura. Por ejemplo, los aceros martensíticos pueden ser muy frágiles, lo que puede dificultar
su preparación para el examen.
A pesar de los desafíos, la preparación adecuada de los aceros grado herramienta es esencial para un
examen preciso de su microestructura. Siguiendo los procedimientos correctos, los metalurgistas
pueden obtener información valiosa sobre las propiedades de los aceros grado herramienta y su
idoneidad para diferentes aplicaciones. En esencia, la metalografía sirve como un puente entre el mundo
microscópico de los metales y su comportamiento macroscópico.
Una amplia gama de aceros grado herramienta se utiliza en diversas aplicaciones automotrices. Grados
pre-endurecidos como el P-20 ofrecen soluciones rentables para partes de bajo estrés, mientras que
grados avanzados como H13 proporcionan una fuerza y rendimiento superiores para componentes
exigentes, en la Figura 1 podemos observar los principales aceros grado herramienta utilizados en la
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fabricacion de moldes de inyeccion de plastico, comparando el indice de pulibilidad y el indice de
maquinabilidad. Nuevos desarrollos en recubrimientos y tratamientos superficiales mejoran aún más la
resistencia al desgaste y a la corrosión. Uno de los aceros grado herramienta que presenta mejor
desempeño para la fabricación de moldes de inyección de plástico es el acero denominado AISI H13,
se utiliza ampliamente en aplicaciones de trabajo en caliente debido a su excelente combinación de alta
tenacidad y resistencia al desgaste. Es un acero al cromo-molibdeno-vanadio (Cr-Mo-V) Tabla 1.
Figura 1.
a)
b)
Efecto de la dureza sobre (a) capacidad de pulido y (b) maquinabilidad.
(Agnelli Mesquita & Schneider, 2010)
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Tabla 1. Composición química del Acero AISI H13
Composición química Acero AISI H13
Componente
C
Cr
Mo
V
Análisis %
0.40
5.30
1.40
1.00
La metalografía juega un papel crucial en la comprensión y optimización de las propiedades de los
aceros texturizados como son:
1. Revelado de características microestructurales: El análisis metalográfico permite la observación
detallada de la microestructura de los aceros texturizados, incluyendo el tamaño, la forma y la
orientacióndel grano, asi como la presencia de fases. Esta información es vital para comprender
los factores que influyen en la texturización y su impacto en las propiedades del material.
2. Evaluación de la textura: Técnicas metalográficas específicas, como la difracción de electrones
retrodispersados (EBSD), pueden medir directamente la distribución de la orientación del grano,
cuantificando la textura y proporcionando información invaluable sobre su desarrollo e impacto en
el comportamiento mecánico.
3. Entendimiento de las relaciones entre las propiedades y el proceso: Al correlacionar la
microestructura observada con el historial de procesamiento, la metalografía ayuda a establecer el
vínculo entre los parámetros de procesamiento y la textura resultante y propiedades. Este
conocimiento es crucial para optimizar rutas de procesamiento para lograr características
materiales deseadas.
4. Solución de problemas: Cuando surgen problemas con los aceros texturizados, como una
anisotropía inesperada en las propiedades mecánicas o una falla prematura, la metalografía puede
identificar la causa microestructural subyacente, facilitando acciones correctivas o ajustes en el
proceso.
Las superficies texturizadas en los componentes plásticos agregan diferentes características al producto
final, desde aplicaciones sencillas como mejoramiento de la apariencia, hasta aplicaciones de alto nivel
de ingeniería como lo son las aplicaciones biomédicas. Las tecnologías de texturizado se pueden
clasificar como: mecánica, electroquímica, termoeléctrica y aditiva, dependiendo del principio de
funcionamiento principal (Figura 2).
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Figura 2. Sumario y clasificación de las tecnologías de texturizado.
(Masato, Piccolo, Lucchetta, & Sorgato, 2022)
Para alcanzar una dureza específica de 46 HRC en un acero grado herramienta H13 se debe realizar
cuidadosamente el tratamiento térmico controlado. Este procedimiento incluye etapas de austenización,
temple y revenido. Es fundamental reconocer que las condiciones específicas pueden variar
dependiendo de la composición exacta del material, las dimensiones del componente y el equipo de
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tratamiento térmico disponible. La temperatura de austenización típicamente ronda los 1020°C a
1050°C. Esta etapa es crucial para disolver los carburos en la matriz y formar austenita. Los medios de
temple usuales para H13 incluyen aire forzado, aceite o baños de sal. Los aceites de temple para aceros
grado herramienta se pueden categorizar en diferentes tipos basados en su velocidad de enfriamiento,
desde enfriamiento rápido hasta aceites de enfriamiento más lento. Generalmente se prefiere un aceite
de enfriamiento medio a rápido para el acero grado herramienta comercial H13, dependiendo del área
transversal del componente y los detalles del proceso de tratamiento térmico. Después del temple, es
fundamental llevar a cabo uno o más ciclos de revenido para alcanzar la dureza deseada de 46 HRC y
mejorar la tenacidad del material. El revenido se lleva a cabo típicamente a temperaturas que van desde
550°C hasta 650°C (1020°F a 1200°F), dependiendo de la dureza final deseada y las propiedades
mecánicas.
METODOLOGÍA
Preparacion del material
Para la realización del experimento se fabricaron probetas utilizando el material acero H13 grado
herramietnta comercial sin tratamiento térmico, con una dimensión de 15 x 15 x 10 mm y una dureza
en estado de suministro de 240 Brinell (HB). Se realizó un seccionamiento con una maquina CNC 5
ejes CB Ferrari MCL 85, para este procedimiento se utiliza refrigerante de corte y un avance de corte y
profundidad de corte relativamente bajos para evitar modificar las características del material debidas
al calentamiento por fricción.
Para preparar la superficie después del mecanizado, se recomienda utilizar una máquina rectificadora
de superficies planas para tener una superficie plana y minimizar el alto proceso de pulido. Se realiza
de la misma manera para los aceros al carbono y para aceros aleados. Se debe tener cuidado de utilizar
un paso de corte bajo y una profundidad de corte baja para reducir el calentamiento y la deformación.
En este caso se utiliza una maquina rectificadora CN ALPA RM 1600.
Endurecimiento
Para alcanzar una dureza específica de aproximadamente 46 HRC en un acero AISI H13, se debe seguir
un procedimiento de tratamiento térmico cuidadosamente controlado. Este procedimiento incluye
etapas de austenización, temple y revenido.
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Austenización (Calentamiento a la temperatura de austenización): Calentar el acero lentamente a una
temperatura de austenización recomendada de aproximadamente 1020°C a 1050°C (1870°F a 1920°F).
Esta etapa es crucial para disolver en la matriz las carburos y formar austenita.
Mantenimiento: Mantener la pieza a esta temperatura durante un tiempo suficiente para asegurar una
completa austenización. El tiempo puede variar dependiendo del tamaño y la geometría de la pieza,
pero típicamente se encuentra en el rango de 30 minutos a 1 hora, para el caso de estas probetas se
mantienen durante 30 minutos.
Temple (Enfriamiento): Enfriar la pieza rápidamente en un medio de temple adecuado. Para el H13 o
materiales similares, los medios comunes incluyen aire forzado, aceite, o baños de sales.
Revenido: Después del temple, es esencial realizar uno o más ciclos de revenido para alcanzar la dureza
deseada de 46 HRC y mejorar la tenacidad del material. El revenido se realiza típicamente a
temperaturas entre 550°C a 650°C (1020°F a 1200°F), dependiendo de la dureza final deseada y las
propiedades mecánicas.
Pulido
El pulido de aceros grado herramienta es un proceso meticuloso que requiere atención al detalle para
lograr una superficie de alta calidad, libre de imperfecciones y con el acabado deseado. Este proceso es
especialmente importante en aplicaciones donde la calidad de la superficie tiene un impacto directo en
el rendimiento de la herramienta, como en moldes para plásticos o matrices de forja.
Se recomienda realizar este proceso con un ambiente controlado. Por lo general, los cuartos o
habitaciones limpias son adecuadas para evitar que el polvo en el ambiente pueda rayar o dañar la
muestra.
A continuación, se describe un procedimiento general de pulido para este tipo de acero:
1. Preparación de la superficie
Limpieza: Asegurar que la superficie esté completamente limpia y libre de aceites, suciedad o cualquier
contaminante. Esto puede implicar desengrasar con solventes adecuados y/o limpieza mecánica.
Inspección: Examina la superficie en busca de defectos, rayaduras, o marcas de mecanizado que
necesiten ser eliminadas durante el proceso de pulido.
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2. Desbaste
Lijado inicial: Comienza con un lijado grueso utilizando papel de lija de grano 180 a 220 para eliminar
marcas de mecanizado y defectos superficiales. Utiliza agua o aceite como lubricante para evitar el
sobrecalentamiento y la formación de óxidos. Para obtener mejores resultados el aceite lubricante se
debe aplicar con jeringa, no utilizando un depósito para sumergir la piedra cerámica o el fieltro, esto
provocará contaminación y rayaduras en la muestra por residuos de granos o acero.
Progresión del grano: Trabaja progresivamente con papeles de lija de grano más fino (320, 400, 600)
para eliminar las rayaduras dejadas por el papel de grano más grueso anterior. Este proceso gradual
asegura una transición suave hacia una superficie más pulida.
3. Pulido fino
Papel de lija de grano fino: Continúa con papel de lija de grano fino (800, 1000, hasta 2000 o más) bajo
lubricación adecuada para obtener una superficie más lisa. Este paso es crucial para preparar la
superficie para el pulido final.
Compuestos de pulido: Aplicar compuestos de pulido con un paño suave o ruedas de pulido. Comenzar
con compuestos de grano más grueso y progresar hacia compuestos de grano más fino para alcanzar el
acabado deseado. Considere que los consumibles deben cambiarse durante el proceso por artículos
nuevos y limpios para evitar contaminación y daños.
4. Pulido final
Pulido de alto brillo: Utilizar una rueda de pulido limpia y compuestos de pulido de grano ultrafino para
obtener un acabado de espejo. Se realiza más comúnmente utilizando una o más etapas de compuesto
abrasivo de diamante, desde 15 µm hasta 3 µm. Se deben usar herramientas rotativas neumáticas con
velocidades de 100 a 150 rpm y presión moderada, teniendo cuidado de no pulir durante mucho tiempo
en la misma área, esto puede causar “pitting” (picaduras) y pulido excesivo (over polishing).
Los tiempos de pulido dependen del número de pasos del procedimiento y de la naturaleza de la aleación
(composición y condición del tratamiento térmico).
5. Limpieza final
Limpieza profunda: Limpia la pieza meticulosamente para eliminar todos los residuos de los
compuestos de pulido. Puede ser necesario utilizar solventes específicos y técnicas de limpieza
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ultrasonidos para eliminar completamente todos los residuos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El examen por microscopía y la preparación metalográfica de los aceros grado herramienta presentan
desafíos debido a su alta dureza, concentración elevada de carburos y microestructura específica. Esta
comprensión intrincada de la microestructura de un metal es invaluable para determinar sus propiedades
mecánicas, resistencia a la corrosión y rendimiento general. La metalografía juega un papel crucial en
la comprensión y optimización de las propiedades de los aceros texturizados, revelando características
microestructurales que permiten la observación detallada del tamaño de grano, forma, orientación y la
presencia de fases primarias y secundarias. Esta información es vital para entender los factores que
influyen en la textura y su impacto en las propiedades del material. La metalografía ayuda a establecer
la conexión entre los parámetros de procesamiento y la textura y propiedades resultantes al correlacionar
la microestructura observada con el historial de procesamiento. Este conocimiento es crucial para
optimizar las rutas de procesamiento para lograr las características materiales deseadas.
Aquí, se muestran dos muestras de aceros grado herramienta H13, tal como se recibieron y tratados
térmicamente, para destacar los efectos del tratamiento térmico en la microestructura y propiedades
finales. Se utilizó una solución de Nital con una concentración del 2% (2 ml de HNO3 y 98 ml de etanol
al 95%) a temperatura ambiente como agentes de ataque para revelar las fases metalográficas más
características. La microestructura se caracterizó utilizando un microscopio óptico Keyence 970F con
ampliaciones de 20X-5000X.
La Figura 3 muestra las imágenes ópticas típicas que muestran las microestructuras del acero H13 grado
herramienta tratado térmicamente. La microestructura inicial de la muestra recibida del acero grado
herramienta H13 en condición recocida consiste en una matriz ferrítica. La imagen de la derecha
muestra claramente la distribución homogénea de los carburos, lo que contribuye a un fortalecimiento
relativamente débil por precipitación. Como resultado, después del tratamiento de la solución y el
posterior enfriamiento del aceite, la muestra tiene una estructura completamente martensítica.
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Figura 3. Micrografías ópticas de acero grado herramienta H13 tratado térmicamente con un aumento
de 500x (izquierda) y 3000x (derecha)
Elaboracion propia
Según el análisis de la microestructura del acero grado herramienta H13, está claro que el tratamiento
térmico desempeña un papel fundamental en la optimización de las propiedades del acero para
aplicaciones industriales, en particular para el texturizado de moldes, al adaptar la microestructura del
acero para cumplir con los estrictos requisitos de sus aplicaciones, asegurando su confiabilidad y
eficiencia. El estudio destaca la eficacia de procesos de tratamiento térmico específicos para mejorar
las propiedades mecánicas y la calidad de la superficie del acero grado herramienta H13. Estos
tratamientos son cruciales para lograr la dureza, tenacidad y resistencia a la fatiga térmica deseadas,
que son esenciales para el desempeño del acero en entornos de alta demanda. La investigación de las
transformaciones microestructurales proporciona información valiosa sobre cómo estos tratamientos
mejoran la capacidad del material para resistir los desafíos de los procesos de fabricación.
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