9 aceros troqueles.pdf

11

Materiales de Construcción

para Troqueles

Materiales de Materiales de ConstrucciConstruccióón n

para Troquelespara Troqueles

Inst. Tecnológico de Estudios

Superiores de Monterrey

Mayo - 2008



Mayo - 2008

22

DISEÑO HERRAMIENTA

1.SELECCIÓN DEL MATERIAL2.SELECCIÓN DEL TRAT. TÉRMICO

PROPIEDADES MECÁNICAS•DUREZA•TENACIDAD•RESISTÉNCIA MECÁNICA

MECANIZADO

USO Y CONFIGURACIÓN HERRAMIENTA

MATERIALES PARA TROQUELES

33

ACEROS PARA HERRAMIENTAS (TOOL STEELS)ACEROS RÁPIDOS (HIGH SPEED STEELS)

Mo y WACEROS PARA TREBAJO EN CALIENTE (HOT WORK STEELS)

Aceros para trabajar a T>200 ºCCr (H10-H19), W (H21-26) i Mo (H42)

ACEROS PARA TRABAJAR EN FRÍO (COLD WORK STEELS)Aceros para trabajar a T<200 ºC

Endurecibles al aire (Grupo A)Endurecibles con aceite (Grupo O)Alto contenido en Cromo y Carbono (Grupo D)

ACEROS BAJA ALEACIÓN APLICACIONES ESPECIALES (Grupo L)ACEROS TEMPLABLES EN AGUA (Grupo W)

METAL DUROCERÁMICOSRECUBRIMENTOS


44

NORMAS SOBRE AC. DE CONSTRUCCIÓN

American Iron Steel Institute

ACEROS PARA TRABAJO EN FRIO

ACEROS AISI: O1-A2-D2-D3-D6-S1 USOS ACEROS DE EXCELENTE TENACIDAD RESISTENTES AL DESGASTE, ALTA TEMPLABILIDAD. UTILIZADOS PARA LA FABRICACIÓN DE HERRAMIENTAS DE CORTE (TROQUELES, PUNZONES, EMBUTIDORES, etc).

55

1-ACEROS AL C F-111 – F112 (UNE) Composición: 0.25 % C, 0.60% Mn, 0.25% SiResistencia moderada y baja templabilidad. Alta tenacidadBuena ductilidad para la deformaciónAplicaciones

•Bases portamatrices•Placas Porta punzones, ...•Pernos de transporte•Piezas con pocas solicitaciones

F-114 (UNE)

Composición: 0.45 % C, 0.60% Mn, 0.25% SiBuena resistencia al desgaste y alta tenacidadSe pueden templar en aceite con buenos resultadosAplicaciones:

•Placas Guía.•Placas porta punzones.•Placas sufrideras bonificadas.


66

Aceros rápidos con Mo (4.5-11% Mo), Grupo M

Más tenacidad que el grupo T para igual durezaMenor coste que el grupo TAumenta la resistencia al desgaste al aumentar C i VAl Co, aumenta la dureza y baja la tenacidad Son sensibles al tratamiento térmico (se descarburan fácilmente), especialmente con la temperatura de austenización y la atmósfera.Alta templabilidad, Temperatura de temple 1172-1230 ºCBajo % C, dureza máxima de 65 HRCAlto % C, dureza máxima de 66 HRC

Aceros rápidos con W (11.7-21% Mo), Grup T

Elementos de aleación: W, Cr, V, CoElevada dureza y resistencia al desgasteBuena combinación tenacidad-desgasteTemplar a 1200-1300 ºC. En herramientas grandes usar temple en aceite.La Dureza depende del % C. ( 64.5 HRc). Máx. dureza: 67 HRc.


77

Aceros rápidos:

AISI M2 - DIN 1.3343 - F-5603

0.8% C, 4.0 % Cr, 5.0 % Mo, 6 % W, 2.0 % V•Alta resistencia al desgaste y buen comportamiento en corte•Dureza 60-65 HRC•Mediana resistencia a descarburación•Maquinabilidad moderada•Temple: 1190-1230 ºC (calentamiento 730-845 ºC)•Revenido: 540-595 ºC•Recocido 870-900 ºC (210-240 HB), 22 ºC/min. enfriamiento•Aplicaciones:

•Punzones y matrices de corte•Herramientas de conformar en frío•Matrices de corte de precisión.


88

Aceros rápidos:

AISI M4

1.30% C, 4.0 % Cr, 4.50 % Mo, 5.5 % W, 4.0 % V•Elevada resistencia al desgaste y buen comportamiento en elementos de corte•Dureza 61-66 HRc•Mediana resistencia a la descarburación•Baja maquinabilidad•Temple: 1205-12330 ºC (calentamiento 730-845 ºC)•Revenido: 540-595 ºC•Recocido: 870-900 ºC (220-250 HB), 22 ºC/min. enfriamiento•Aplicaciones:

•Punzones y matrices cortantes•Herramientas de conformado en frío.


99

ACEROS PARA HERRAMIENTAS: ACEROS TREBAJO EN FRÍO

Trabajan a <200 ºCTemplables al aire (Grupo A)Templables al aceite (Grupo O)Elevado contenido de cromo y carbono (Grupo D)

Templables al aire (Grupo A)Contienen elementos de aleación (Mn, Cr, Mo) para endurecer secciones de 100 mm. por enfriamiento al aire.Mínima distorsión y poca tendencia a fisuras de temple.Los carburos de Cr y V dan alta resistencia al desgaste abrasivoAplicaciones:

CuchillasPunzonesMatrices de estampar, de calibrar, gravar,…


1010

Aceros grupo A: AISI A2 - DIN F-1.0% C, 5.0 % Cr, 1.0 % Mo

•Alta resistencia al desgaste •Dureza 57-62 HRC•Mediana resistencia a la descarburación•Maquinabilidad moderada•Temple: 925-980 ºC (calentamiento a 790 ºC)•Revenido: 175-540 ºC•Recocido: 845-870 ºC (200-230 HB), 22 ºC. min. enfriamiento

AISI A4 - DIN F-1.0% C, 2.0% Mn, 1.0 % Cr, 1.0 % Mo

•Resistencia al desgaste moderada-alta•Dureza 54-62 HRc•Mediana-alta resistencia a la descarburación•Maquinabilidad moderada-baja•Temple: 815-870 ºC (calentamiento a 675 ºC)•Revenido: 175-425 ºC•Recocido: 740-760 ºC (210-230 HB), 22 ºC.min. enfriamiento.


1111

Aceros grupo O - Templables al aceite-

Elevado contenido en C, para templar en aceite secciones medianas-pequeñas. Elementos de aleación variados: Mn, Mo, Si, Cr, W.Alta resistencia al desgaste (contenido en C) Endurecimiento aceite: mínima distorsión y evitar fisuras de temple.Se pueden reparar eficazmente o renovar con soldaduraAplicacionesAplicaciones

Punzones.Punzones.Matrices de estampar, calibrar, cortar, Matrices de estampar, calibrar, cortar, ……O1, O2, O6: Temple 56O1, O2, O6: Temple 56--62 62 HRcHRc, revenido a 175, revenido a 175--315 315 ººCC..O7, buena resistencia al desgaste para herramientas de corte.O7, buena resistencia al desgaste para herramientas de corte.


1212

Aceros grupo O:

AISI O1 - DIN 1.2510 - F-5220

0.90% C, 1.0 % Mn, 0.5% Cr, 0.5 % Mo•Moderada resistencia al desgaste •Dureza 57-62 HRc. Tenacidad media•Alta resistencia a la descarburación•Buena maquinabilidad•Temple: 790-815 ºC (calentamiento a 650 ºC)•Revenido: 175-260 ºC•Recocido: 760-790 ºC (180-210 HB), 22 ºC. Min. enfriamiento••Aplicaciones:Aplicaciones:

••Placas sufrideras.Placas sufrideras.••Punzones de embutir y cizallarPunzones de embutir y cizallar••LimitadoresLimitadores


1313

Aceros tipo O:

AISI O2 - DIN 1.2842 - F-5229

0.90% C, 2.0 % Mn, 0.4% Cr, 0.5 % Si, 0.10% V •Moderada resistencia al desgaste •Dureza 57-62 HRc. Tenacidad mediana•Alta resistencia a la descarburación•Alta maquinabilidad•Temple: 760-800 ºC (calentamiento 650 ºC)•Revenido: 175-260 ºC•Recocido: 745-775 ºC (180-210 HB), 22 ºC/min enfriamiento••Aplicaciones:Aplicaciones:

••Placas sufrideras.Placas sufrideras.••Punzones de doblarPunzones de doblar••Piezas variadas con tratamiento tPiezas variadas con tratamiento téérmico. rmico.


1414

Aceros grupo D:Alto contenido en Cromo y Carbono

Elevado contenido en Cr (12%) y C (1.5-2.3 %)Son templables al aire (excepto el D3, en aceite)Excelente resistencia al desgaste, especialmente el D7 por su alto contenido en Cr y C.Contienen gran número de carburos, tienen tendencia al ‘chipping’.


1515

AISI D-21.5 %C, 12.0 % Cr,1.0 % Mo, 1.0 % V

•Muy alta resistencia al desgaste abrasivo.•Dureza 54-61 HRc. Baja tenacidad•Mediana resistencia a la descarburación•Buena maquinabilidad•Buena templabilidad: Temple: 1030-1060 ºC (calentamiento 815 ºC)•Revenido: 540-650 ºC•Recocido: 870-900 ºC (220-255 HB), 22 ºC/min. enfriamiento••AplicacionesAplicaciones

••Elementos cortantesElementos cortantes••Punzones de doblar, cizallar o perforarPunzones de doblar, cizallar o perforar••Herramientas de conformarHerramientas de conformar••Punzones de embuticiPunzones de embuticióón profundan profunda••Matrices de extrusiMatrices de extrusióón y de laminacin y de laminacióón.n.

Aceros grupo D:


1616

AISI D-32.25 %C, 12.0 % Cr,

•Alta resistencia al desgaste abrasivo•Dureza 54-61 HRC. Baja tenacidad•Mediana resistencia a la descarburación•Baja maquinabilidad•Buena templabilidad: Temple: 925-980 ºC (calentamiento 815 ºC)•Revenido: 205-540 ºC•Recocido: 870-900 ºC (220-255 HB), 22 ºC/min. enfriamiento••Aplicaciones:Aplicaciones:

••Herramientas de corteHerramientas de corte••Punzones de cizallar y doblarPunzones de cizallar y doblar••Herramientas de conformar en frHerramientas de conformar en frííoo••Cuchillas de triturarCuchillas de triturar••Herramientas de acuHerramientas de acuññaciacióón.n.

Aceros grupo D:


1717

AISI D-72.35 %C, 12.0 % Cr, 1.0% Mo, 4.0% V

•Altísima resistencia al desgaste abrasivo•Dureza 58-65 HRc. Muy baja tenacidad.•Mediana resistencia a la descarburación•Baja maquinabilidad•Buena templabilidad: Temple: 1010-1065 ºC (calentamiento 815 ºC)•Revenido: 150-540 ºC•Recocido: 870-900 ºC (235-260 HB), 22 ºC/min. enfriamiento••AplicacionesAplicaciones

••Herramientas de corte. Herramientas de corte. ••Punzones de cizallar, cortar, perforar, Punzones de cizallar, cortar, perforar, ……••Herramientas de conformar en frHerramientas de conformar en fríío.o.

Aceros grupo D:


1818

ACEROS PARA HERRAMIENTAS: ACEROS TEMPL. EN AIGUA

Contienen C principalmente (0.6-1.4 %).Elementos aleantes

Cr (aumenta la templabilidad y aumenta la resistencia al desgaste)V (grano fino, aumenta la tenacidad)

Desarrollan una zona dura muy delgada (metal base se mantiene tenaz)Aplicabilitad: depende de la zona endurecida !Cuidado! Tendencia a producirse fracturas en el temple.

AISI W10.6-1.4% C,

•Resistencia al desgaste baja-moderada•Dureza 50-64 HRC•Muy alta resistencia a la descarburación•Maquinabilidad muy buena•Temple: 760-815ºC (calentamiento 565 ºC)•Revenido: 175-345 ºC•Recocido: 740-790 ºC (155-200 HB), 22 ºC min. Enfriamiento.


1919

METAL DURO –WIDIAWIDIA(WiWie DiaDiamant)

•Matriz metálica (Co)•Carburos metálicos: WC, TiC, TaC•Dureza: 700-2200 HV•Muy alta resistencia al desgaste.•Baja tenacidad•Se aplica en forma de insertos en matrices o punzones de todo tipo.•Hay que evitar aristas vivas o afiladas.


Densidad: 14,95 g/cm3

Resistencia a la presión: 5300 - 7000 MPa

Módulo de Elasticidad: 600 GPa

2020

Res

istè

ncia

al d

esga

st

Tenacitat

Cerámicas

Carburos de Tungsteno

Aceros rápidos

TiC, TaC

Carburos recubiertos


2121

ACEROS DE CONSTRUCCIÓN

2222

ACEROS DE CONSTRUCCIÓN

2323

Equivalencias entre Normas

2424

FUNDICIONES:Fundición Blanca.Fundición Gris.Fundición Nodular.Fundición Maleable.ADI (Austempering Ductile Iron)

Fundiciones no aleadas (185-225 HB): 3% C, 1.6 % Si, 0.7% MnFundiciones aleadas (200-235 HB): 3% C, 1.6 % Si, 0.4% Cr, 0.7 % Mo


2525

FUNDICIÓN BLANCA

FundiciFundicióón Blanca:n Blanca:

Son aquellas fundiciones en que todo el Carbono se encuentra combinado bajo la forma de cementita. Todas ellas son aleaciones hipoeutécticas y las transformaciones que tienen lugar durante su enfriamiento son análogas a las de la aleación de 2.5% de Carbono.

Se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste, siendo sumamente quebradiza y difícil de mecanizar. Ësta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilización industrial, quedando reducido su empleo a aquellos casos en que no se quiera ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de bolas, boquillas de extrusión, rodillos de estirar,… También se utiliza en grandes cantidades, como material de partida para la fabricación de fundición maleable.

2626

FUNDICIÓN GRIS

FundiciFundicióón Gris:n Gris:

Son aquellas fundiciones que contienen entre un 2.5 y un 4% de Carbono. El proceso de gratificación (grafito) se realiza con mayor facilidad si el contenido de Carbono es elevado, las temperaturas elevadas y la cantidad de Silicio es la adecuada.

El grafito adopta la forma de numerosas laminillas curvadas, que son las que proporcionan a la fundición gris su característica fractura grisácea o negruzca.

2727

FUNDICIÓN NODULAR

FundiciFundicióón n NodularNodular::

Son aquellas fundiciones que el Carbono se encuentra en forma esferoidal dando lugar a una resistencia a la tracción y una tenacidad mucho mayores que la fundición gris. La fundición nodular se diferencia de la maleable en que normalmente se obtiene directamente en bruto de fusión sin necesidad de tratamiento térmico posterior. Además los nódulos presentan una forma más esférica que los aglomerados de grafito que aparecen en la fundición maleable.

El contenido en Carbono de la fundición Nodular es igual al de la fundición Gris. La cantidad de ferrita presente es las que proporciona la máxima ductilidad, tenacidad y maquinabilidad.

2828

Fundición de Grafito Nodular

2929


Base InferiorFundición GG-25

(180-220HB)

Placa GuíaAcero+Grafito

Base SuperiorFundición GG-25

(190-240HB)

Placa Suplemento Acero F111

EmbutidorFundición GGG-60

Tem. superficial HRc.50-52

3030


Columna GuíaAc.F155 Cementado

MatricesAc. 1.2379 - T. y R.

HRc.60-62

Placas PisadorAc. F114Limitador

Acero F114


(180-220HB)

Casquillo GuíaBronce+Grafito Punzones

Ac. 1.2379 – T. y R. HRc.60-62


(180-220HB)

3131



(180-220HB)


(180-220HB)

Columna GuíaAc. F155

Cementado

Casquillo GuíaAc. F155

Cementado

Punzones y MatricesAc. 1.2379 - T. y R.

HRc.60-62

3232



(180-220HB)


(180-220HB)

Punzones y MatricesFundición GGG60Tem. Superficial

HRc. 56-58

3333


Base SuperiorAc. F111- F112

Base InferiorAc. F111- F112


Cementado


Cementado


HRc.60-62

3434



(180-220HB)


(180-220HB)


Cementado


Cementado


HRc.60-62

3535


Base SuperiorAc. F112 – F112

Base InferiorAc. F111 – F112

Casquillo y Columnas Guía

Ac. F155 Cementado


HRc.60-62

3636

Fallos en los Aceros de

Construcción

Fallos en los Fallos en los Aceros de Aceros de

ConstrucciConstruccióónn

3737

Número de piezas a fabricar.Dimensiones y forma de la pieza.Espesor de la chapa.Lubricación.Criterios económicos.

GARANTIA VIDA MATRIZ

MECANISMOS DE FALLO

SELECCIÓN DE MATERIALES PARA MATRICES

3838

TREBAJO EN FRÍO (T<250 ºC)

Desgaste‘Chipping’Deformación plásticaFracturaDesprendimientos.

TRABAJO EN CALIENTE>250ºC

DesgasteFatiga térmicaAdherenciasErosiónCorrosión

CAUSAS DE FALLOS EN MATRICES

3939

DESGASTE: Pérdida progresiva de material de una superficie a consecuencia del movimiento relativo de una superficie respecto a otra.

•DESGASTE ADHESIVO

•DESGASTE ABRASIVO

•DESGASTE- FATIGA

CAUSAS DE FALLOS EN MATRICES

4040

Carga baja: oxidación superficial. Desgaste suave (mild wear)Carga alta: desgaste severo.

‘GALLING’Lubricación inadecuadaIncorrecto ajuste herramienta-chapaRugosidad superficial

Acero al C, Acero inox., AluminioCarburosAleaciones de Al - CuAcero para herramientas

Acero al C, acero inoxidableBronce al Aluminio

CHAPAHERRAMIENTA

DESGASTE ADHESIVO

4141

DESGASTE ABRASIVO

Minimizar desgaste adhesivoDureza elevadaDispersión abundante y homogénea de carburosCarburos de alta durezaAplicación de recubrimientos duros

4242

Minimizar desgaste-fatiga:• Alta tenacidad• Buen tratamiento térmico (evitar σ residuales o superficies frágiles)• Dispersión homogénea de partículas duras (redes de carburos)• Lubricación• Diseño adecuado del utillaje• Proceso de mecanizado adecuado

DESGASTE - FATIGA

Mal mecanizado

El calor y la presión durante el rectificado pueden causar marcas o grietas que conduzcan a problemas durante la producción.

4343

ADHERENCIAS

CAUSAS

Materiales de transformación blandos (Al, Cu, etc.)Baja dureza de las herramientasElevado coeficiente de fricción (estado superficial y lubricación)Bajo grado de afinado entre herramienta y producto (trabajo en frío)Soldadura entre metales fundidos y herramienta (trabajo en caliente)

Temperatura excesiva.Estado superficial y lubricación.

ACCIONES

Aumentar dureza superficial (tratamientos superficiales)Aumentar coeficiente de fricción (lubricantes, recubrimientos duros)Parámetros de proceso (temperatura - presión)

4444

DEFORMACIÓN PLÁSTICA

CAUSAS

Se excede el límite elásticoConcentración de tensionesBaja dureza por descarburación superficial

Defectos de tratamiento térmico Electroerosión

ACCIONES

Aumentar la dureza superficialTratamiento térmico Tratamientos superficiales

Eliminar capa generada en electroerosión

4545

FRACTURAS

Mala selección del materialMicroestructura incorrectaTratamiento térmico incorrectoMal funcionamiento de la herramientaMicrofisuras generadas en el mecanizadoMal diseño de la pieza

PROPIEDADES MEÁNICASDurezaResistencia mecánicaTenacidadResistencia a la fatiga REQUERIMIENTOS PROCESO

MICROESTRUCTURA

FRACTURAS

4646

FALLOS EN MATRICES

MAL DISEÑO

4747

FALLOS EN TRATAMIENTO TÉRMICO

FALLOS EN MATRICES

4848

FALLOS EN TRATAMIENTO TÉRMICO

FALLOS EN MATRICES

4949

Necesidad de Recubrimientos duros

Aumenta la Dureza.Resistencia al Desgaste.Bajo coeficiente de fricción.Mayor durabilidad.……..

PVD: Physical Vapor DepositiónCVD: Chemical Vapor Depositión

5050

El objetivo de todo recubrimiento es la mejora de una superficie que puede presentar un deterioro.

El conocimiento del tipo de deterioro que se produce determina la técnica de recubrimiento y el tipo de compuesto aconsejable.

La solución a un tipo de deterioro (desgaste, gripaje, corrosión, etc,…) depende del conjunto de propiedades del compuesto (dureza, coeficiente de fricción, temperatura de trabajo, oxidación…).

Las mejoras que confiere el recubrimiento deben ser conjugadas con las que presenta el substrato.

En algunos casos la solución requiere alternar compuestos con distintas propiedades o alternar distintas técnicas de recubrimiento.

TECNOLOGÍA DE RECUBRIMIENTOS DUROS

5151

CARACTERÍSTICAS DE LOS RECUBRIMIENTOS DUROS

Resistencia al desgaste abrasivo y adhesivo.

Dureza (depende de la naturaleza del compuesto).

Propiedades tribológicas (bajo coeficiente de fricción).

Espesor de la capa. Homogeneidad de la capa.

Adherencia recubrimiento/substrato (tipo de enlace, difusión).

Tenacidad de la capa.

Resistencia a la corrosión.

Resistencia a la oxidación en caliente.

TECNOLOGÍA DE RECUBRIMIENTOS DUROS

EL ÉXITO DE LOS RECUBRIMIENTOS RADICA EN LA ESTAMPACIÓN DE CHAPA DE ALTA RESISTENCIA

5252

Recubrimientos duros

5353

Recubrimientos duros

5454

APLICACIONES INDUSTRIALES DEL CVD

Matrices y punzones de corte y conformado

• Material : Acero de trabajo en frío 1.2379

• Dureza: 58-60 HRc.

• Recubrimiento : TiC-TiCN (CVD).

• Espesor : 9 micras.

Punzones y matrices para estampación en frío

Matrices para el conformado llantas de automóvil

5555


Matriz de conformado de chapa de acero(industria del automóvil)

• Material : Acero de trabajo en frío (F-520A 1.2379).

• Dureza : 58-62 HRc.

• Recubrimiento : TiC-TiN.

• Espesor : 8 micras.

5656


Matriz de embutición de chapa de acero inoxidable

• Material : Acero de trabajo en frío (F-520 A)

• Dureza : 58-62 HRc.

• Recubrimiento : TiC

• Espesor : 8 micras

5757


CVD EN ESTAMPACIÓN DE CHAPAS DE ALTA RESISTENCIAMaterial : Acero de trabajo en frío 1.2379.

Dureza : 58-62 HRc.

Recubrimiento : TiC-TiN.

Espesor : 8 micras

Matrices de conformado

5858

• Distintas técnicas de recubrimiento se combinan para conseguir mejorar las prestaciones mecánicas superficiales:

• Nitruración +PVD

• CVD + PVD tribológico

• Ni + Cr + PVD

• PVD + implantación iónica

• La línea de nuevas aplicaciones de los recubrimientos PVD se dirige a la substitución de recubrimientos galvánicos como Cr duro y recubrimientos de materiales plásticos.

• La línea de nuevas aplicaciones de los recubrimientos CVD se dirige a la obtención de nuevos compuestos basados en Aluminio, Silicio y Boro.

• Obtención de capas múltiples, dopadas, nanocapas, capas composite con nanopartículas.

APLICACIONES INDUSTRIALES DEL PVD y del CVD

5959



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