Diseño de moldes ASSCAM
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MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES
MatMol - V2
FUNDACIÓ ASCAMM
CENTRE TECNOLÒGIC
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ÍNDICE
INDICE Pág. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES
3
TECNOLOGÍAS PARA LA FABRICACIÓN DE MOLDES DE INYECCION
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MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES
MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES
Para la transformación plásticos por el proceso de inyección, son indispensables moldes de gran calidad, con una elaboración muy precisa, y que deben presentar una elevada duración. Estos moldes se fabrican actualmente en acero y metales no férricos como son ciertas aleaciones de aluminio y de cobre. El tipo de molde a elegir para una pieza que se haya de fabricar viene determinado, esencialmente, por consideraciones de rentabilidad, que dependen de:
las exigencias impuestas a la pieza fabricada, los costes de fabricación del molde, del tiempo del ciclo y del número de piezas a fabricar con el molde.
Estas condiciones no van incondicionalmente unidas con las propiedades térmicas y mecánicas, ni tampoco con la facilidad de elaboración de los materiales. Así, por ejemplo, los materiales con buenas propiedades térmicas presentan generalmente propiedades mecánicas menos buenas. Los tiempos de ciclo cortos significan, con estos materiales, duraciones de vida menos elevadas. Así pues, al elegir los materiales, deben aceptarse ciertos compromisos. Si un artículo está sometido a exigencias especiales como, por ejemplo, buen aspecto de la superficie, exactitud de medidas, elevada velocidad de producción, gran número de piezas, etc., los moldes se elaboran, casi exclusivamente, por arranque de viruta o prensado en frío, EDM, MAV, etc. Como consecuencia, solamente se emplean, para estos moldes, aceros especiales para herramientas. Sin embargo, si sólo se quiere efectuar algunas inyecciones de ensayo para obtener muestras de un artículo, se elegirán materiales más económicos y métodos de fabricación más sencillos para el molde; en tal caso, se emplean particularmente resinas de colada y metales colados. A continuación presentamos los diversos materiales, sus propiedades, su elaboración y su campo de aplicación.
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ACEROS Las exigencias que debe satisfacer un acero para la construcción de moldes destinados al moldeo por inyección proceden, por una parte, de las condiciones impuestas a la pieza terminada y, por otra, de los esfuerzos a los que se ve sometido el molde. De ello se desprende que los aceros deben poseer las siguientes propiedades:
buenas condiciones para su elaboración (mecanibilidad, facultad de troquelado en frío, templabilidad), resistencia a la compresión, temperatura y abrasión, aptitud para el pulido, suficiente resistencia a la tracción y tenacidad, tratamiento térmico sencillo, deformación reducida, buena conductibilidad térmica, buena resiliencia y resistencia a los ataques químicos.
El vaciado del bloque, para obtener el molde, se realiza, en un 90% de los casos, por arranque de viruta. Actualmente pueden mecanizarse con arranque de viruta incluso los aceros con resistencias de hasta 150 kp/mm2. Sin embargo, la gama de resistencias más favorable para la mecanización de aceros recocidos o bonificados se sitúa mucho más abajo, entre 60 y 80 kp/mm2 . En la elaboración sin arranque de viruta, o sea, en el troquelado en frío, entra notablemente en consideración la magnitud de los contornos a troquelar. Del material se exige entonces que, tras el conformado en frío, pueda conferírsele una dureza inferior y una buena plasticidad mediante un tratamiento térmico (recocido suave, normalizado). Como apenas se produce un esfuerzo prolongado de los moldes a temperaturas elevadas, puede despreciarse, por lo general, para la elección de los aceros, el esfuerzo térmico. El mejor modo de soportar los esfuerzos de compresión y la abrasión es mediante una elevada dureza. Los mejores resultados de dureza se consiguen con aceros exentos de grietas internas y inclusiones, y que tengan la máxima pureza y uniformidad en su estructura. Por otra parte, los aceros especialmente puros, que carecen prácticamente de inclusiones, se dejan pulir muy bien.
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Sin embargo, el factor decisivo para la elección del acero no es el esfuerzo de compresión – los aceros templados pueden soportar sin más un esfuerzo puramente de compresión de 250 a 300 kp/mm2 – sino el esfuerzo de flexión, que deben resistirlo en particular los moldes grandes. Los esfuerzos flectores pueden ser tales que produzcan la rotura de los elementos del molde construido a base de aceros de temple total. Por ello, se recomienda emplear aceros de cementación con núcleo tenaz y superficie endurecida, resistente a la abrasión. Sin embargo, los aceros de cementación presentan las máximas exigencias en cuanto al tratamiento térmico, y su elaboración exige mucho tiempo. El temple y revenido de los aceros de temple total son mucho más sencillos, pero su campo de aplicación resulta limitado. Las variaciones en las dimensiones y las deformaciones que pueden producirse como consecuencia de un tratamiento térmico y que exigen, generalmente, un costoso trabajo posterior, quedan eliminadas al emplear aceros recocidos o bonificados. Por esta razón, se recurre preferentemente a los aceros bonificados. (Temple + Revenido tenaz). Puede actuarse contra la sensibilidad a la entalladura, o en favor de una buena resiliencia, mediante la cementación y temple posterior o bien por nitruración sobre acero bonificado. La resistencia a los ataques químicos se consigue mediante un revestimiento galvánico protector (cromado, niquelado), o mediante el empleo de aceros inoxidables resistentes a los ácidos. La capa protectora, en los revestimientos galvánicos, alcanza, en el cromado, unos 0,2 mm. Para evitar tensiones internas en la capa protectora, que pueden producir el desconchado de la misma, es indispensable una capa uniforme y no excesivamente gruesa. Además, deben evitarse las esquinas o cantos muy agudos en el molde. La dureza de una capa de cromo debería ser, en lo posible, de 900 -1100 HV.
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TABLA 1. Composición química de los aceros para moldes de inyección
Tipo de acero
Designación según
Material
DIN 17006
nº
Análisis orientativo %C
%Si
%Mn %Al
%Cr
%Mo %Ni %V
%W
Aceros de
C4W3
1.1803
0,06
0,05
0,25
-
-
-
-
-
-
cementación
C15WS
1.1805
0,15
0,3
0,4
-
-
-
-
-
-
X6CrMo4
1.2341
0,06
0,1
0,1
-
3,8
0,5
-
-
-
21MnCr5
1.2162
0,20
0,3
1,2
-
1,2
-
-
-
-
X19NiCrMo4
1.2764
0,19
0,2
0,4
-
1,3
0,2
4,0
-
-
15NiCr14
1.2735
0,15
0,3
0,4
-
0,7
-
3,5
-
-
21CrMnMo5
1.2310
0,21
0,3
1,2
-
1,1-1,4 0,3
-
-
-
Aceros de
33A1CrMo4
1.2852
0,33
0,2
0,7
1,0
1,1
0,2
-
-
-
nitruración
29CrMoV9
1.2307
0,29
0,3
0,5
-
2,5
0,2
-
0,15
-
34CrA16
1.2851
0,34
0,3
0,75
1,0
1,5
-
-
Aceros
X45NiCrMo4
1.2767
0,45
0,2
0,4
-
1,3
0,2
4,0
-
-
templados
90MnV8
1.2842
0,90
0,2
2,0
-
-
-
-
0,10
-
X210Cr12
1.2080
2,1
0,3
0,3
-
12,0
-
-
-
-
105WCr6
1.2419
1,05
0,2
1,0
-
1,0
-
-
-
1,2
100MnCrW4
1.2510
1,0
0,35
1,2
-
0,7
-
-
0,15
0,7
X100CrMoV51
1.2363
1,0
0,3
0,5
-
5,2
1,0
-
0,2
-
X165CrMoV12
1.2601
1,65
0,3
0,3
-
12,0
0,6
-
0,1
0,5
35NiCrMo16
1.2766
0,35
0,2
0,5
-
1,4
0,3
4,0
-
-
Aceros boni-
54NiCrMoV6
1.2711
0,55
0,3
0,7
-
0,7
0,3
1,7
0,1
-
ficados para
55NiCrMoV6
1.2713
0,55
0,3
0,60
-
0,7
0,30
1,7
0,1
-
empleo en el
X38CrMo51
1.2343
0,38
1,0
0,40
-
5,3
1,1
-
0,4
-
estado de
50CrV4
1.2241
0,50
0,25
1,0
-
1,0
-
-
0,1
-
suministro
40CrMnMo7
1.2311
0,40
0,30
1,5
-
2,0
-
-
-
-
Aceros resis-
X40Cr13
1.2083
0,4
0,40
0,3
-
13,0
-
-
-
-
tentes a la
X36CrMo17
1.2316
0,35
1,0
1,0
-
17,0
1,2
-
-
-
Aceros para
X54NiCrMoW4
1.2765
0,53
0,30
0,40
-
1,2
0.3
4,0
-
-
matrices
75CrMoNiW67
1.2762
0,75
0,20
0,25
-
1,5
0,7
0,5
-
0,30
50NiCr11
1.2718
0,50
0,20
0,4
-
0,6
-
2,8
-
-
X16SCrMoVl2
1.2601
1,65
0,30
0,3
-
12,0
0,60
-
0,10
0,50
80WCrV8
1.2552
0,80
0,50
0,4
-
1,1
-
-
0,3
2,0
corrosión
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MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES TABLA 2. Propiedades mecánicas y térmicas de los aceros para moldes de inyección *
Tipo Designación de acero según DIN 17006
Material nº
Peso Conductibili- Dilatación Calor Módulo específico dad térmica térmica específico de elasticidad [g/cm2] [cal/gºC] [10-6/ºC] [cal/cmsºC] [kp/mm2]
Aceros de
C4W3
1.1803
7,85
0,16
10-14
0,115
21000
cementación
C15WS X6CrMo4 21 MnCr5 X19NiCrMo4 15NiCr14 21CrMnMo5
1.1805 1.2341 1.2162 1.2764 1.2735 1.2310
7,85 7,8 7,8 7,85 7,85
0,16 0,11 0,11 0,08 0,08
10-14 10-14 10-14 10-12 10-12
0,115 0,115 0,155 0,11 0,11
21000 21000 21000 21000 21000
Aceros de nitruración
33A1CrMo4 29CrMoV9 34CrA16
1.2852 1.2307 1.2851
7,85
0,08
10-12
0,11
21000 21000
Aceros templados
X45NiCrMo4 9OMnV8 X210Cr12 105WCr6 100MnCrW4 X100CrMoV51 X165CrMoV12 35NiCrMo16
1.2767 1.2842 1.2080 1.2419 1.2510 1.2363 1.2601 1.2766
7,85 7,85 7,8 7,8 7,8
0,08 0,08
10-12 10-12 10,5-12.5 10-14
0,11 0,11 0,113
21000 21000 21000 21000 21000
11,5-13
0,14
Aceros bonificados para empleo en el estado de suministro
54NiCrMoV6 55NiCrMoV6 X38CrMo51 50CrV4 40CrMnMo7
1.2711 1.2713 1.2343 1.2241 1.2311
12-14 12-13 11,5-12 13-15
0,13
Aceros resistentes a la corrosión
X40Cr13 X36CrMo17
1.2083 1.2316
Aceros Dara, matrices
X54NiCrMoW4 75CrMoNiW67 50NiCr11 X165CrMoV12
1.2765 1.2762 1.2718 1.2601
80WCrV8
1.2552
0,09
7,8 7,8
7,8 7,8
0,12
21000 21000 21000 21000 21000
0,11 0,11
21500 21300
7,8 7,7 7,7
0,07 0,07
10-12 10-11
21000 21000
11-13
7,8
11,5-13
21000
* Los valores que faltan en las tablas 2,3 y 4 no han podido ser determinados incluso tras consulta al fabricante. Sin embargo, hay que admitir que sus variaciones, por lo que respecta a los demás valores dados en estas tablas, son de poca importancia.
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MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES TABLA 2 Continuación Resistencia del núcleo [kp/mm2] 45 60 90-100 100-130 120-130 95-125 120 80-100 80 80-100
Dureza superficial tras el revenido a 200º C, o resistencia a la tracción 61
HRC
Recocido suave
100 HB
61 61 60 56-62 60 61
HRC HRC HRC HRC HRC HRC
Recocido Recocido Recocido Recocido Recocido RecocIdo
suave suave suave suave suave suave
100 HB 120 HB 210 HB 250 HB 190 HB 217 HB
HV HV
Recocido suave Recocído suave Recocido suave
230 HB
250 HB 220 HB 250 HB 230 HB 230 HB
HRC kp/mm2 kp/mm2 kp/mm2 kp/mm2 HRC kp/mm2 HRC HRC HRC HRC HRC
Recocid’o suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave RecocIdo suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave Recocido suave
HRC
Recocido suave
205 HB
900 750
Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total Temple total
58-61 175 90-120 185 190 55 170 57 51 52-59 52-57 58-61
Temple total
58-62
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Estado de suministro
54 62 62 62-64 62
HRC HRC HRC HRC HRC
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225 HB
250 HB 260 HB 240 HB 240 HB 240 HB 230 HB 230 HB 230 HB 230 HB 250 HB 205 HB 250 HB
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Se comprende que un acero no puede presentar todas estas propiedades. Por ello, antes de fabricar un molde, es preciso dilucidar las propiedades indispensables impuestas por su aplicabilidad. Éstas pueden estimarse según los cuatro puntos de vista siguientes : 12 1212 12
Tipo de plástico a inyectar (exigencias relativas a corrosión, abrasión, conductibilidad térmica y viscosidad)
1212 12
Tipo y magnitud del esfuerzo mecánico previsible (tamaño de la cavidad, presión de inyección, variaciones de forma en el molde, presión residual necesaria),
1212 12 12
Tecnología de construcción del molde (arranque de viruta, estampado en frío, erosión)
12 1212 12
Tratamiento térmico necesario, con sus correspondientes variaciones en las dimensiones.
De acuerdo con estas consideraciones, se procederá a la elección del acero apropiado entre la gama que ofrece todo suministrador. Los aceros pueden clasificarse en: Aceros de cementación Aceros de temple total Aceros bonificados para empleo en el estado de suministro Aceros resistentes a la corrosión Aceros de nitruración Aceros de segunda fusión.
Los aceros para la fabricación de moldes de inyección se indican en la tabla 1. Las tablas 1 a 3 dan un resumen de las propiedades térmicas y mecánicas, así como la composición de los materiales. El tratamiento térmico de los aceros puede verse en la tabla 4.
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ACEROS DE CEMENTACIÓN Los aceros de cementación son los que reúnen las condiciones que más se aproximan a las exigidas a un acero para la construcción de moldes. Con ello no es de extrañar que su porcentaje de aplicación alcance alrededor del 80% del consumo total de acero para moldes. La ventaja particular de estos aceros consiste en que por cementación, o carburación -ya que se forma cementita con el tratamiento térmico-, se origina una superficie dura como el vidrio y, simultáneamente, un núcleo resistente y tenaz. La elevada dureza superficial hace que los moldes sean resistentes a la abrasión, y el núcleo tenaz les hace resistentes a los esfuerzos alternativos y bruscos. Estas propiedades se obtienen cuando se tratan térmicamente los moldes fabricados con acero de bajo contenido de carbono (aceros con un contenido en C de menos del 0,2 %) en un medio que aporte carbono, sosteniendo una temperatura comprendida entre 840 y 900º C, y enfriando a continuación en aceite o agua. Al efectuar el calentamiento en un medio que desprende carbono, las capas externas del molde se enriquecen en dicho elemento. El contenido de carbono de las zonas externas puede alcanzar, de este modo, hasta un 0,8%. La profundidad de esta capa enriquecida, que puede alcanzar entre 0,6 y 2 mm según las exigencias, viene determinada por el medio carburante, que puede ser gaseoso, líquido o sólido, así como por el tiempo y la temperatura. El espesor de la capa enriquecida crece con la temperatura y la duración del calentamiento. Sin embargo, las temperaturas excesivamente elevadas y un tiempo de calentamiento excesivo son perjudiciales para el acero, ya que la estructura se hace muy basta y dificulta el posterior tratamiento térmico de bonificación.
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TABLA 3 Posibilidades de aplicación de los aceros para moldes de inyección
Designación según DIN 17006
Material nº
Aplicación
C4W3 C15WS X6CrMo4 21 MnCr5
1.1803 1.1805 1.2341 1.2162
Moldes pequeños y medianos; para troquelados o estampados profundos Moldes pequeños y medianos; troquelable en frío Moldes pequeños y niedianos; troquelable en frío Moldes pequeños y medianos; troquelable en frío. Por mecanizado, moldes de todos los tamaños
X19NiCrMo4 15NiCr14
1.2764 1.2735
21CrMnMo5
1.2310
Moldes de todos los tamaños, mecanizado Moldes de todos los tamaños; mecanizado. En determinadas condiciones, troquelable en frío. Fácil pulido Moldes de todos los tamaños; mecanizado. Fácil pulido
33A1CrMo4
1.2852
29CrMoV9
1.2307
34CrA16
1.2851
X45NiCrMo4
1.2767
90MnV8
1.2842
X210Cr12 105WCr6
1.2080 1.2419
Moldes pequeños y piezas móviles Moldes con vaciados planos o poco profundos; elementos de moldeo sometidos a altos esfuerzos
100MnCrW4
1.2510
Moldes con vaciados planos; elementos de moldeo sometidos a altos esfuerzos
X100CrMoV51 X16SCrMoV12 35NiCrMo16
1.2363 1.2601 1.2766
54NiCrMoV6 55NiCrMoV6
1.2711 1.2713
X38CrMo51
1.2343
50CrV4 40CrMnMo7
1.2241 1.2311
Fáciles elaboración y pulido Moldes grandes, posibilidad de grandes cargas específicas locales, resistente a la abrasión Gran resistencia a la compresión; resistente a la abrasión: utilizable para troquelado Fáciles elaboración y pulido Moldes medianos, fácil pulido
X40Cr13 X36CrMo17
1.2083 1.2316
Resistente a la corrosión y a los ácidos. fácil pulido, no soldable Resistente a la corrosión, a los ácidos y a la abrasión
X54NiCrMoW4 75CrMoNiW67 50NiCr11 X165CrMoVl2
1.2765 1.2762 1.2718 1.2601
Gran Gran Gran Gran
80WCrV8
1.2552
Gran tenacidad, resistencia a la compresión y a la abrasión
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Vaciados con nervios estrechos, poca deformación, superficie resistente a la abrasión Moldes de todos los tamaños, poca deformación, superficie resistente a la abrasión Moldes de todos los tamaños, poca deformación, superficie resistente a la abrasión, gran exactitud de dimensiones Moldes de todos los tamaños con vaciados profundos, resistente a la compresión Moldes pequeños, fácil pulido; piezas móviles sometidas a altos esfuerzos
Moldes pequeños, con vaciados complicados Fáciles elaboración y pulido
tenacidad, tenacidad, tenacidad, tenacidad,
resistencia resistencia resistencia resistencia
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a a a a
la la la la
compresión compresión compresión compresión
y y y y
a a a a
la la la la
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abrasión abrasión abrasión abrasión
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TABLA 4. Tratamiento térmico de los aceros para moldes de inyección Tipo Designación Material de acero según nº DIN 17006
Aceros de cementación
Conformación en caliente1) [ºC]
Recocido Recocido normal2) suave3)
[ºC]
[ºC]
Recocido de eliminación de tensiones4) [ºC]
Cementación
[ºC]
C4W3 C15WS X6CrMo4
1.1803 1.1805 1.2341
1100-850 1100-800 1050-850
900-930 900 -
650-690 680-710 780-820
600-650 600-650 600-650
850-880 850-880 870-920
21MnCr5
1.2162
1050-850
850-880
670-710
600-650
870-920
X19NiCrMo4
1.2764
1050-850
-
620-660
600-650
870-920
15NiCr14
1.273,5
1050-850
-
620-650
-
860-890
21CrMnMo5
1.2310
1050-850
820-850
670-710
550-600
840-880
Aceros de nitruración
33A1CrMo4 29CrMOV9 34CrA16
1.2852 1.2307 1.2851
1050-850 1050-850 1050-850
-
650-700 680-720 680-720
-
-
Aceros templados
X45NiCrMo4 90MnV8 X210Cr12
1.2767 1.2842 1.2080
1050-850 1050-850 1050-850
-
610-650 680-720 800-840
600-650 -
-
105WCr6 10OMnCrW4 X100CrMoV51 X165CrMoV12 35NiCrMo16
1.2419 1.2510 1.2363 1.2601 1.2766
1050-850
-
710-750
-
-
1050-850 1050-850 1050-850
-
800-840 800-840 630-670
-
-
54NiCrMoV6
1.2711
1050-850'
-
660-700
-
-
55NiCrMoV6 X38CrMo51 50CrV4 40CrMnMo7
1.2713 1.2343 1.2241 1.2311
1050-850 1100-900 1100-850 1050-850
-
660-700 800-840 710-750 710-750
-
-
Aceros resistentes a la corrosión
X40Crl3 X36CrMo17
1.2083 1.2316
1050-850 1050-850
-
780-820 760-800
-
-
Aceros para matrices
X54NiCrMoW4 75CrMoNiW67 50NiCr11 X165CrMoV12
1.2765 1.2762 1.2718 1.2601
1050-850 1050-850 1050-850 1050-850
-
610-650 710-750 610-650 800-840
-
-
80WCrV8
1.2552
1050-850
-
710-750
-
-
Aceros bonificados para empleo en el estado de suministro
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MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES TABLA 4. Continuación Recocido Intermedio5)
Templado
Revenido
Tiempo
[Cº]
en
[Cº]
[min]
Agua Agua Baño de aceite caliente 200-230º C Baño de aceite caliente 220-280º C Baño de aire caliente 220-280º C Baño de aceite caliente 180-220º C Baño de aceite caliente 220-280º C
170-270 170-270 170-230
120
170-270
90
170-270
60
170-200
60
[Cº]
600-650
770-800 770-800 870-900
650-680
810-840
620-650
780-830
610-640
780-800
650-680
820-850
-
900-950 850-880 870-900
Aceite Aceite Aceite
580-650 580-630 580-650
120 60 60
-
840-870 790-820 930-980
170-270 100-300 180-400
120 120 120
-
800-830
Aceite Aceite Baño de aceite caliente 350-450º C Aceite
150-250
120
-
950-980 890-1020 810-850
Aceite/aire Aceite/aire Aceite/aire
100-300 100-250 400-500
120 120 120
-
840-870
-
170-270
400
120
840-880 1000-1050 820-850 830-900
Baño de aceite caliente 180-220º C Aceite Aceite/aire Aceite Aceite/aire
400-600 600-700 300-600 500-600
120 120 120 120
1000-1030 1020-1050
Aceite Aceite
200-250 180-500
120 120
1
) Enfriamiento en arena u horno ) Enfriamiento al aire 3 ) Enfriamiento lento en horno, de cuatro horas de duración como mínimo. 4 ) Enfriamiento lento en horno, de 1 h. de duración como mín. 5 ) Como mínimo 2 horas con en 2
-
850-880 870-900 840-870 980-1020 860/890
Aceite/aire Aceite Aceite Aceite/aire Aceite
200-300 100-250 150-300 100-250 150-300
60 60 120 120
friamiento lento.
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Se distinguen tres tipos de tratamiento térmico El temple directo, que tiene lugar al final del proceso de carburación, es decir, enfriando directamente + revenido. El temple simple, que consiste en volver a elevar la temperatura del molde –generalmente la de la superficie exterior– hasta la de temple, enfriar y revenir hasta una temperatura comprendida entre 180 y 200º C. El temple doble se caracteriza por un doble calentamiento. Tras la cementación se lleva el molde a la temperatura de temple del material del núcleo; luego se enfría y, a continuación, se calienta a la temperatura de temple de la capa de cementación. Tras un nuevo enfriamiento, se procede al inmediato revenido del molde.* La figura 1 muestra diagramas de temple para los tres tipos básicos de tratamiento térmico.
Figura 1. Diagrama de temple para los tres tipos básicos de tratamiento térmico.
* Solamente válido para aceros templables sometidos excepcionalmente a cementación.
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Naturalmente, los tipos básicos de tratamiento térmico citados son susceptibles de modificaciones (precalentamiento, calentamiento intermedio). En DIN 17210 se indican algunas posibilidades. Además de las buenas propiedades ya citadas, como una superficie resistente a la abrasión y a una prolongada duración con esfuerzos de flexión alternativos, los aceros de cementación presentan una serie de otras buenas condiciones para la construcción de moldes, en comparación con los aceros de alto contenido de carbono y de temple completo. Citaremos aquí solamente la capacidad de troquelado en frío y la posibilidad de obtener un temple limitado localmente mediante la cobertura de diversas zonas en el proceso de cementación. Para el troquelado conviene que sea lo más reducida posible la resistencia de los aceros en el momento del suministro, ya que sólo entonces pueden realizarse vaciados para moldeo profundos sin calentamientos intermedios. La presión máxima posible para los troqueles es de 300 kp/mm2. Un acero puede troquelarse bien cuando su dureza en el estado de suministro es de HB ≈ 250 kp/mm2.
Aceros de temple total En los aceros de temple total se produce el aumento de dureza por la formación de martensita debida al rápido enfriamiento posterior al calentamiento. Las características mecánicas que pueden alcanzarse por este procedimiento dependen del medio de enfriamiento y de la velocidad de enfriamiento. Los medios de enfriamiento más empleados son: agua, aceite, aire, baño de sales y gas a presión. El agua proporciona el enfriamiento más rápido, mientras que el aceite y el aire son más suaves. La velocidad de enfriamiento queda, por tanto, determinada, por una parte, por el agente enfriador y, por otra, por la conductibilidad térmica, la cual depende, a su vez, de la relación superficie-volumen del molde y de los elementos de aleación que se encuentran combinados con el acero. Ni, Mn, Cr, Si y otros elementos reducen la velocidad crítica de temple y permiten, con ello, el endurecimiento completo de secciones más gruesas. El proceso de temple comprende: calentamiento, estabilización de la temperatura, enfriamiento con formación de la estructura de temple (martensita) y subsiguiente revenido para mejorar la tenacidad. Con el revenido solamente disminuye en forma ligera la dureza conseguida, contrariamente a lo que sucede con el bonificado. Las temperaturas de revenido se sitúan entre 160 y 200º C. Además de mejorar la tenacidad, el tratamiento de revenido suaviza las tensiones. Por ello se conoce también este proceso como eliminación de tensiones o normalización. Los moldes fabricados con aceros templados tienen una buena resistencia a la abrasión como consecuencia de su elevada dureza; sin embargo, son más sensibles a la formación de grietas y a la deformación en comparación con los moldes de cementación o bonificados, debido a su menor tenacidad. Por esta razón, los aceros templados sólo se utilizan, por lo general, para pequeños moldes o elementos planos de los mismos.
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MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES Aceros bonificados para empleo en el estado de suministro Si se quieren evitar las variaciones de dimensiones o la deformación producidas durante un tratamiento térmico, y con ello un costoso y prolongado trabajo posterior, deben emplearse, para la fabricación de un molde, aceros bonificados. Los moldes fabricados a partir de estos aceros en su estado de suministro, pueden mecanizarse (arranque de viruta) con relativa facilidad. Evitan al fabricante de moldes las dificultades que que lleva consigo un tratamiento térmico. Su aplicación es especialmente ventajosa para la construcción de moldes de grandes dimensiones, los cuales pueden reaccionar, frente a un tratamiento térmico, con variaciones en las medidas. La desventaja de estos aceros es su reducida resistencia a la abrasión y la deficiente calidad de la superficie de los moldes, que, a menudo, hace necesario un posterior tratamiento superficial (cromado, nitruración). Los aceros son bonificados en la propia industria metalúrgica. Allí son sometidos a un tratamiento de revenido después del temple. Mediante el revenido de los aceros a temperaturas superiores a 500º C, la martensita se descompone en carburo y cristales mixtos α. A ello va unida una reducción de la dureza y de la resistencia, con simultáneo aumento de la tenacidad de estos aceros. A medida que aumenta la temperatura de revenido, aumenta la tenacidad de los aceros, descendiendo, en cambio, la dureza y la resistencia. Mediante una adecuada elección de la temperatura y de la duración del revenido, que, (entre una y dos horas), pueden ajustarse, según la resistencia, determinados valores de la tenacidad. El límite superior de la resistencia puede considerarse 125 kp/mm2. Los aceros con resistencia más elevada ya no pueden ser mecanizados en forma rentable por arranque de viruta.
Aceros resistentes a la corrosión Al trabajar con algunos polímeros clorados se desprenden, durante la elaboración, productos químicamente agresivos, generalmente ácido clorhídrico o ácido acético. Por lo general, se protegen entonces los moldes mediante revestimientos galvánicos, como capas de cromo duro o de níquel. Sin embargo, estos revestimientos protectores solamente son de eficacia duradera cuando se consigue un espesor de capa uniforme al hacer la aplicación y se evitan los cantos agudos en el molde. Las desigualdades de espesor y los cantos agudos producen tensiones en la capa protectora que, al ser sometida a esfuerzos, pueden dar lugar al desconchado. El peligro de que el revestimiento no sea uniforme en todas sus partes es especialmente grande en los moldes con contornos complicados (contraperfiles, esquinas, etc.).
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Además de proporcionar una buena resistencia a la corrosión, el cromado de las superficies se caracteriza por la elevada calidad de las mismas (acabado brillante), resistencia a la abrasión y propiedades antiadherencia (que hace que la pieza inyectada no se adhiera). Las capas de cromo aplicadas tienen, con un espesor de unos 0,2 mm, una dureza superficial comprendida entre 900 y 1100 HV. Si no puede garantizarse la obtención de un recubrimiento de cromo uniforme y subsiste el peligro de que se formen grietas en la capa protectora, lo que puede ocurrir principalmente cuando los moldes están sometidos a un esfuerzo flector, se recurrirá a aceros resistentes a la corrosión (aceros inoxidables), es decir, aceros con bajo contenido en carbono y combinados, como mínimo, con un 12 % de cromo. Sin embargo, en su composición normal, estos aceros sólo pueden emplearse hasta una temperatura de unos 400º C, ya que, por encima de los 400º C, existe el peligro de una corrosión intercristalina. Para que el acero pueda templarse, debe contener carbono. Sin embargo, el carbono presenta, respecto al cromo, una afinidad mayor que el hierro. Por este motivo, además de los cristales mixtos Fe-Cr, se originan también carburos de cromo en la estructura, los cuales absorben el cromo de las zonas circundantes (límites de grano). Estas partes contienen también menos del 12 % de cromo, con lo que desciende la resistencia a la corrosión. Solamente puede garantizarse una resistencia completa a la corrosión cuando el cromo se encuentra uniformemente distribuido en el hierro. Ello se consigue calentando el acero a la temperatura de temple, ya que, con el calentamiento, se disuelven los carburos de cromo. El cromo queda retenido entonces en su posición mediante un posterior enfriamiento rápido. Solamente a temperaturas superiores a los 400º C se producen nuevas separaciones de carburo, con el consiguiente descenso ya indicado de la resistencia a la corrosión. Sin embargo, este peligro no se presenta en el proceso de inyección de termoplásticos, puesto que no se alcanzan temperaturas tan elevadas (T No Fotograbado Rapid Tooling, electroforming, rapid prototyping.
MECANIZADO CON ARRANQ UE DE VIR UT A ARRANQUE VIRUT UTA Aproximadamente el 90% de todos los moldes pueden obtenerse por mecanización. En esta modalidad de fabricación intervienen principalmente trabajos de torno, fresa y pulido. Las máquinas, muy frecuentemente máquinas especiales, tienen que dejar el molde perfectamente acabado, de modo que sólo sea necesario un pequeño repaso manual. Conviene que este trabajo de repaso posterior quede limitado al pulido necesario para conseguir una buena calidad de superficie. Con las máquinas y herramientas que se encuentran actualmente en el mercado, pueden elaborarse por mecanizado tanto los aceros de nitruración, de cementación y de temple completo, como los ya bonificados en estado de suministro con resistencias de hasta 150 kp/mm2. Conviene señalar, no obstante, que los aceros se trabajan más rentablemente con resistencias de 60 a 80 kp/mm2. Al arrancar material, se originan tensiones, o bien, se liberan tensiones ya presentes em el mismo; éstas pueden producir una deformación inmediata o durante un posterior tratamiento térmico. Por ello. es aconsejable efectuar un recocido de eliminación de tensiones en el molde, después de desbastado. En el posterior afinado, que generalmente no da lugar a tensiones, puede compensarse todavía una deformación eventualmente producida. Tras el tratamiento térmico, se esmerilan y pulen los moldes para conseguir un buen acabado de su superficie. La calidad superficial es, en definitiva, un factor decisivo para la calidad de las piezas. Por el contrario, la superficie de los moldes para soplado se trata con chorro fino de arena para conseguir una mejor aireación; simultáneamente se consigue además con ello un efecto de superficie especial en la pieza terminada estructura de piel de naranja). Así, pues, hay que prestar gran atención al tratamiento final de las superficies de los moldse de inyección.
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Los procesos de fabricación indicados en la tabla 12 pueden servir como orientación respecto al modo de proceder para conseguir buenas superficies. TABLA 12. Procesos en el tratamiento de esmerilado y pulido Fase de trabajo
Operaciones
Abrasivos
Esmerilado fino
1) grano 40-180 2) grano 300-400 3) grano 600-800
Tela de esmeril, fieltro con corindón Pasta de carborundo aplicada sobre paños de fieltro Pasta de carborundo con aceite, por ejemplo, aceite rubí o estearina
Pulido previo
4) grano 3-10 υm
«Pasta verde de pulir» - mezcla de parafina con óxido de cromo
Pulido final
5) grano 0,25-1υm
Arcilla de aluminio (óxido de aluminio) disgregada con agua destilada en la proporción 9:1; carburo de boro y polvo de diamante
Entre las diversas fases de pulido se limpiarán intensamente los moldes con petróleo u otro líquido adecuado, al objeto de eliminar la totalidad de granos de abrasivo de la etapa precedente, antes de iniciar el trabajo con una muela de grano más fino. Sólamente así puede evitarse un nuevo rascado o una formación de estrías. La dirección de esmerilado, con los diversos abrasivos, debe variar 90º en cada operación, pues de este modo puede verse más fácilmente si el esmerilado precedente ha sido pulido por completo.
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ELABORACIÓN DE LOS MATERIALES PARA MOLDES
ELABORACIÓN SIN ARRANQUE DE MATERIAL ESTAMPADO-TROQUELADO, EMBUTIDO. (ENCLAVADO) La elaboración sin arranque de material, en la fabricación de moldes para inyección, se emplea principalmente cuando hay que obtener cavidades del molde con una superficie de difícil consecución por mecanizado. El punzón, estampa o troquel se elabora exteriormente según el perfil deseado. Un contorno puede elaborarse en una superficie exterior mucho más rápida, exacta y económicamente que el correspondiente en una cavidad del molde. El punzón templado, que posee el contorno de la pieza a fabricar, se sumerge con presión creciente y a poca velocidad, entre 0,1 y 10 mm/min , en una matriz de acero recocido suave. Pueden embutirse, estamparse o troquelarse rentablemente los aceros con una resistencia en estado recocido de hasta 60 kp/mm2. Las dimensiones de la matriz dependen del contorno y, por tanto, del punzón a emplear. Para garantizar el flujo del material en la matriz al proceder al embutido, conviene que la altura de la misma no sea menor de 1,5 a 2,5 veces el diámetro del punzón. Si el flujo de material no es correcto, se produce un embutido a sacudidas, que da lugar a una superficie escamosa. Las dimensiones de los contornos a embutir están limitadas por la carga máxima a la compresión de los punzones, que es de unos 300 kp/mm2. Cuando los contornos son profundos, el embutido no puede realizarse muchas veces en un solo proceso de trabajo; hay que efectuar entonces un recocido intermedio de la matriz pudiendo ser precisosrecisos, en casos extremos, varios recocidos íntermedios. Son de gran importancia las superficies de la matriz y del punzón. Conviene que las superficies estén pulidas, para no obstaculizar el flujo de material durante el embutido o estampado y evitar la adherencia o la soldadura en frío. Por la misma razón, se procurará que la lubricación sea suficiente. Como lubricante, se ha mostrado muy apropiado el bisulfuro de molibdeno, mientras que los aceites no tienen en general suficiente resistencia a la compresión. El punzón recibe muchas veces un recubrimiento de cobre en forma de solución de sulfato de cobre, para disminuir el rozamiento tras el pulido. Los elementos de molde obtenidos por troquelado se someten a un recocido de eliminación de tensiones antes de la elaboración mecánica final, para que en el tratamiento térmico definitivo no puedan producirse deformaciones. Junto a la ventaja ya indicada de que el punzón o troquel puede obtenerse en forma más económica que la correspondiente cavidad, indicaremos también que con ellos pueden fabricarse en poco tiempo varios elementos de moldeo de iguales dimensiones con superficie particularmente buena. La calidad superficial de los elementos de moldeo obtenidos por embutido o troquelado se debe a que no se cortan las fibras del material, contrariamente a lo que ocurre con el mecanizado. La figura 3 muestra la representación esquemática del proceso de conformado. En la figura 4 se representa un molde para plásticos obtenido por troqueladoembutido.
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ELABORACIÓN DE LOS MATERIALES PARA MOLDES
Figura 3. Representación esquemática del proceso de troquelado o estampado.
Figura 4. Elmento del molde obtenido por troquelado (izquierda); troquel (derecha).
ELABORACIÓN POR EROSIÓN ELÉCTRICA. ELECTROEROSIÓN La electroerosión es un proceso de conformación en el que se aprovecha el efecto de desgaste producido por descargas eléctricas breves y consecutivas, con tensiones alternas, entre el electrodo y el molde, dentro de un líquido dieléctrico (agua, o hidrocarburos como petróleo, gasolina, etc.). Mediante cada una de las breves descargas sucesivas se calienta, a la temperatura de fusión o vaporización, un volumen limitado de la pieza y del electrodo, que se elimina explosivamente de la zona de trabajo mediante fuerzas mecánicas y eléctricas. Con ello se originan cráteres en ambos electrodos, cuyas dimensiones dependen de la energía de la chispa, que permiten distinguir entre desbastado (impulsos de gran energía) y afinado. La multiplicidad de cráteres de descarga da a las superficies una estructura con concavidades, cierta aspereza y el aspecto mate característico sin líneas de fabricación orientadas. Las partículas separadas son transportadas por el dieléctrico, hacia fuera de la zona de trabajo, con ayuda de un dispositivo de compresión o aspiración, quedando depositadas en el recipiente del dieléctrico. La polaridad entre herramienta y pieza depende de los respectivos materiales y se determina de modo que la pieza sufra el máximo desgaste en volumen. Como material para electrodos, se emplean: grafito, cobre electrolítico o aleaciones de cobre-tungsteno. La ventaja especial de este proceso estriba en que con él se pueden trabajar todos los materiales conductores, independientemente de su resistencia mecánica. La figura 5 muestra el principio de la electroerosión.
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ELABORACIÓN DE LOS MATERIALES PARA MOLDES
Medio de trabajo: Herramienta: Desbastado:
Líquido dieléctrico (petróleo) Bloque perfilado según la pieza a reproducir con desgaste < 5 % vol %
Afinado: Tensión de trabajo: Intensidad máx. de corriente: Frecuencia de Impulso: Disfancla de trabajo: Velocidad de erosión: Rendimiento específico de erosión:
50 % vol % 40-200 V 5-10 A/cm2 0,2-100 kHz 0,005-0,5 mm < 2 mmlmin Aprox. 8 mm3lA. min
Figura 5. Principio del proceso de le electroerosión
GALVANOTECNIA FOTOGRABADO Como ya se ha indicado, casi el 90 % de los moldes se fabrican por mecanizado, mediante torno o fresa. Naturalmente, de este modo el perfil positivo puede obtenerse, controlarse en cuanto a dimensiones y pulirse con más facilidad que el perfil negativo. Se alcanza el límite de la fabricación mecánica cuando hay que configurar la matriz de un modelo complicado (adorno de muebles, caña de bolígrafo), en el que sea de gran Importancia la fidelidad al original. En tales casos se emplea el moldeado galvánico, que se caracteriza por una excelente calidad de superficie y una gran exactitud de reproducción. Para la conformación por galvanizado se parte de un modelo positivo o negativo del artículo deseado. Sobre dicho modelo se deposita galvánicamente una capa metálica de suficiente espesor. La elección del metal se efectúa según las propiedades mecánicas exigidas de la pieza. Los metales más adecuados para la fabricación de los moldes son el níquel y las aleaciones níquel-cobalto. El níquel se precipita galvánicamente sobre el modelo hasta un espesor de 5 mm. Esta capa de níquel se refuerza por detrás con una capa de cobre, también galvánica, cuyo espesor se sitúa entre 10 y 15 mm.
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ELABORACIÓN DE LOS MATERIALES PARA MOLDES
Tras el galvanizado se separa el modelo de la pieza obtenida, que es de por sí totalmente estable, y puede pasar al siguiente proceso de fabricación. La pieza obtenida por galvanizado se mecaniza generalmente para ser montada como elemento de moldeo en un molde patrón. La figura 6 muestra el principio de la fabricación galvánica de un elemento de moldeo.
Figura 6. Principio de la fabricación galvánica de elementos para moldeo de plásticos.
Figura 7. Debilidad en los cantos y forma de evitarla: a Debilidad de cantos o rincones, b por vaciado intermedio de las zonas peligrosas, c por incorporación de un anillo, d modificación constructiva aumentando el radio, e prolongando el modelo.
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ELABORACIÓN DE LOS MATERIALES PARA MOLDES
Material para el moldeo
Mecanizado
Material para el moldeo
Conformación galvánica
Conformación con material epoxídico
Modelo positivo
Modelo positivo
Conformación galvánica
Elemento de molde con el negativo del moldeo
Inyección
Pieza inyectada
Figura 8. Obtención de piezas moldeadas por inyección aplicando la galvanotecnia para la fabricación del molde.
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ELABORACIÓN DE LOS MATERIALES PARA MOLDES
El modelo se fabrica generalmente por mecanizado, colado o prensado. Para el modelo son apropiados tanto los materiales metálicos como los no metálicos; sin embargo, los no metálicos deben hacerse eléctricamente conductores antes del galvanizado, por aplicación de una fina capa metálica (plata conductora). El material del modelo depende de la frecuencia de su utilización y del tipo de desmoldeo (destructivo, no destructivo, eventualmente químico). Al configurar los modelos positivos, hay que tener en cuenta que con los cantos agudos se produce la llamada debilidad de cantos, o angular, en la capa galvánica. Puede evitarse mediante un vaciado hueco de las zonas críticas, mediante un radio superior al espesor de la capa, incluyendo un anillo en el galvanizado o prolongando el modelo. La figura 7 muestra algunas posibilidades de evitar la debilidad de los cantos. La desventaja de la conformación galvánica reside en los largos tiempos de fabricación de los elementos. Sin embargo, esta desventaja puede compensarse generalmente gracias a la fabricación más económica del modelo positivo. Las ventajas económicas de los moldes galvánicos destacan especialmente cuando se precisan varios elementos de moldeo iguales, como, por ejemplo, para un molde múltiple. El aliciente económico lo constituyen aquí los reducidos costes de reproducción del modelo y la posibilidad de utilizarlo varias veces. La figura 8 muestra esquemáticamente el proceso de fabricación de un artículo obtenido en un molde con elementos de moldeo galvánicos.
COLADA Al tratar de los materiales se ha descrito ya detalladamente la posibilidad de colar elementos de moldeo, de modo que podemos renunciar a una nueva exposición sobre este punto.
PROYECCIÓN METÁLICA En la proyección metálica (sinterización) se funden aleaciones de bajo punto de fusión en la llamada pistola Swift y se proyectan sobre el modelo a reproducir. Este modelo puede estar construido prácticamente con cualquier material. La «colada» tiene exactitud de medidas y gran calidad de superficie. Para la proyección metálica se emplean las aleaciones de estaño-bismuto. Por el procedimiento de proyección metálica se fabrican principalmente elementos de moldeo que se aplicarán en un molde patrón. Las ventajas especiales de esta fabricación son los cortos tiempos de producción de los moldes y la posibilidad de obtener prácticamente una reproducción de cualquier modelo. El empleo de estos moldes queda limitado por sus bajas propiedades mecánicas. Los moldes se emplean generalmente sólo para inyecciones de ensayo.
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Índice 0. Antecedentes
3
1. Objeto, campo de aplicación y definiciones
4
2. Obtención, estado de suministro y calidad del producto
5
3. Aceros para trabajo en frío
8
4. Aceros para trabajo en caliente
16
5. Aceros para transformación de plásticos
23
6. Recomendaciones adicionales para la realización del tratamiento térmico 30 7.
Recomendaciones orientativas de fabricación
32
8.
Recomendaciones para la mejora del rendimiento del utillaje
35
9. Recomendaciones para la reparación mediante soldadura
41
10. Tratamientos de superficie y recubrimientos
43
11. Otros materiales para moldes y matrices
51
Anexo 1. Microestructuras de referencia para aceptación de aceros para trabajo en caliente (tipo 1.2344). Anexo 2. Equivalencias aproximadas entre el número de material (Werkstoff number) y las marcas comerciales de los aceristas socios técnicos de ASCAMM. Hoja de relación de marcas según usuario. Anexo 3. Equivalencia de durezas. Anexo 4. Comité de Seguimiento.
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Antecedentes
De todos es conocida la importancia que tiene una adecuada elección del acero para la fabricación de moldes y matrices. El factor metalúrgico incide, no sólo en el diseño del útil, sino en la propia fabricación, su adecuado tratamiento térmico y superficial, grado de acabado, etcétera, sin olvidar el buen servicio y mantenimiento de la herramienta. Por todo ello es necesario disponer de un “pliego de condiciones” realista y consensuado con la acerería suministradora que proporcione la suficiente información para solicitar lo específico y necesario. Así, se pretende conseguir una reducción de los aceros realmente utilizados en los distintos campos de aplicación, ayudando a incrementar la competitividad de las empresas usuarias de estos aceros. Tras la iniciativa emprendida por la Fundación ASCAMM en el año 2000 con la publicación de la primera edición del presente documento y después de recibir numerosas sugerencias por parte de miembros y colaboradores de la asociación ASCAMM, se pone de manifiesto la necesidad de actualizar su contenido. La nueva “GUÍA DE ACEROS PARA MOLDES Y MATRICES” actualiza los tipos de acero más utilizados en las aplicaciones convencionales relacionadas con el sector del molde y la matriz, y revisa las propiedades de cada uno de los distintos tipos de acero existentes. Además de detallar una serie de recomendaciones prácticas para el mecanizado, la soldadura, los tratamientos térmicos y posteriores, así como los acabados de superficie, sin olvidar el mantenimiento preventivo del utillaje. En definitiva, “la Guía constituye una herramienta técnica más para aumentar la calidad y competitividad de los productos nacionales” con la que se pretende ayudar a moldistas y matriceros a consolidar los criterios de selección de aceros y mejorar la calidad de sus productos. Cabe destacar que existen otras calidades, además de las nombradas, que no han sido consideradas pues su composición química no se ajusta a la nomenclatura empleada en el presente documento. En caso de necesitar más información, aconsejamos ponerse en contacto con las acererías suministradoras del material. Pensando en la aplicabilidad y utilidad de esta guía, la contribución de los usuarios ha sido relevante en la edición final. Desde la Fundación ASCAMM, agradecemos a todos los que desde un principio han colaborado de una forma u otra para hacer realidad este documento guía: AIN, Applus-CTC, Aubert&Duval, Bademol, Balzers-Elay, Böhler, Castmold, Coutal, CTM, Erasteel, Imca, Iscar Ibérica, Matribages, Metalográfica, Mol-Tecni 6, Rovalma, Plàstics Arin, Sermetal, Stahlmol, Tauvi, ThyssenKrupp Materials Ibérica, Tratamientos Térmicos Badía, Tratamientos Térmicos Carreras, Universidad Politécnica de Valencia, Uddeholm, Vacutrem y Zanini. Cerdanyola del Vallès Joan Martínez Arcas Joan Guasch Corominas Andrea Castaño Salamero Departamento de Innovación y Desarrollo tecnológico de la Fundación ASCAMM Borrador Edición 2005
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Objeto, campo de aplicación y definiciones
1.1. Objeto El presente documento tiene por objeto definir los aceros usados para la construcción de herramientas de trabajo en frío, en caliente y moldes para la transformación de plástico y metales ligeros. Se define, también, su estado de suministro, sus propiedades mecánicas y comparativas. Además se realizan las recomendaciones pertinentes para el mecanizado, la soldadura, los tratamientos posteriores, acabados de superficie, y el mantenimiento preventivo para moldes y matrices. 1.2. Campo de aplicación Su campo de aplicación es el de los aceros de trabajo en frío y en caliente, aceros para transformación de plástico, así como matrices para corte y conformación en frío. Igualmente, es aplicable en requerimientos de tenacidad, resistencia a alta temperatura, a la abrasión y a la fatiga térmica. 1.3. Definiciones Aceros para herramientas de trabajo en frío: Son aquellos aceros utilizables para la transformación de materiales, cuya temperatura de trabajo en superficie se sitúa por debajo de los 200ºC. Son aceros con elevada resistencia mecánica, al desgaste, al revenido, dureza, tenacidad y estabilidad dimensional. Aceros para herramientas de trabajo en caliente: Son aquellos aceros utilizables para la transformación de materiales, cuya temperatura de trabajo en superficie se sitúa por encima de los 200ºC. Son aceros con elevada resistencia al desgaste en caliente, tenacidad en caliente, estabilidad dimensional y moderada resistencia a la corrosión. Aceros para moldes de transformación de plástico: Son aquellos aceros utilizables para la transformación de plástico, con elevada dureza, estabilidad dimensional, resistencia a la corrosión y al desgaste, y buena aptitud al pulido. Aceros rápidos: Son aquellos aceros utilizables principalmente para procesos de mecanizado y conformado. Son aceros que debido a su alta templabilidad presentan elevada dureza, resistencia al desgaste, tenacidad, conservación de filo, resistencia al revenido a alta temperatura (hasta aproximadamente 600ºC), y estabilidad dimensional.
Nota aclaratoria: en el presente documento se usará el número de material (Werkstoff number) para la designación de los aceros. Esta nomenclatura está de acuerdo con la norma UNE / EN 10027-2 (Parte 2. Designación numérica). En la tabla general se muestran las correspondencias con otras normas. Al final del documento se incluye una hoja para que el usuario anote las marcas que considere.
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2. Obtención, estado de suministro y calidad del producto 2.1. Obtención del producto y consideraciones La composición química, el proceso metalúrgico y el tratamiento térmico aplicado tienen una influencia decisiva en la microestructura del acero que refleja las propiedades mecánicas del mismo. A continuación se describen, sin entrar en conceptos profundos de metalurgia, algunos de los procesos típicos de obtención de aceros para moldes y matrices. Convencional En los procesos convencionales, la colada es vertida en coquillas de acero fundido. La estructura de solidificación en el centro de los lingotes es muy basta y exige una importante reducción de forja para conseguir características mecánicas aceptables después del tratamiento térmico. Refundido Proceso de refundido bajo escoria electroconductora El proceso consiste en el refundido de un electrodo de acero bajo una corriente eléctrica y obligando al líquido a pasar por una masa de escoria que actúa de filtro; todo ello dentro de un molde de cobre refrigerado por agua (paredes frías). Puesto que la cantidad de acero fundido es muy pequeña, el enfriamiento es regular y horizontal, obteniéndose un producto de microestructura fina y homogénea mejor que la del material fundido inicialmente y con menor contenido de inclusiones. Proceso de refundido en vacío A diferencia del proceso anterior, la operación de refundido del electrodo se lleva a cabo en una cámara en la que las gotas del metal fundido quedan expuestas al vacío a alta temperatura, produciéndose una desgasificación progresiva, descomposición y dispersión de inclusiones. La más baja velocidad de fundido en el horno de vacío (alrededor de un 60% más baja que en el caso de refundido bajo escoria electroconductora) lleva a la formación de un baño líquido muy plano, tiempos de solidificación más cortos y niveles más bajos de microsegregación e inclusiones. El uso de técnicas de refundido mejora significativamente la pureza de los aceros y la homogeneidad de la microestructura –centro/superficie- y en consecuencia, la tenacidad y propiedades mecánicas en sentido transversal.
Pulvimetalurgia Las técnicas pulvimetalúrgicas se basan en el prensado isostático en caliente de polvo atomizado solidificado con rapidez. El resultado es un material con microestructura completamente homogénea y comportamiento isotrópico, de grano fino y libre de segregaciones e inclusiones no metálicas. Se consigue una resistencia mecánica muy elevada y dureza homogénea.
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Forjado tridimensional El forjado tridimensional, en comparación con el forjado convencional, permite obtener un material más homogéneo con comportamiento isotrópico. Forjado con aproximación de forma Este proceso se hace bajo encargo y consiste en forjar partiendo de una geometría definida para conseguir una aproximación de la forma definitiva. Consideraciones Los aceros para moldes y matrices deben ser obtenidos por técnicas específicas de metalurgia secundaria, más forja especial según acero, aplicaciones y dimensiones finales. En cualquier caso deberá ser un material homogéneo con comportamiento isotrópico. Para moldes de plástico, cuando sea necesario obtener una elevada calidad superficial en el molde, pulidos, fotograbados, etcétera, podrán especificarse métodos de fabricación del acero que garanticen este nivel de acabado. En todos los casos puede llegarse a un compromiso con la acerería.
2.2. Bandeado. Grado de limpieza. Microestructuras Los aceros deben estar exentos de bandeados relevantes y defectos internos (porosidades, rechupes, cavidades, grietas e inclusiones). Deberá, asimismo, garantizarse el mínimo nivel de segregaciones. La presencia de estos defectos internos puede detectarse mediante ultrasonidos. Cuando se trate de acero en barra puede solicitarse el sentido de orientación de las fibras. Para la identificación de la calidad de microestructura se usarán microestructuras de referencia. Por ejemplo, en el Anexo 1 se presentan aquéllas sugeridas por la NADCA (North America Die Casting Association) para el acero 1.2344. En la bibliografía pueden encontrarse otras referencias.
2.3.
Estado de suministro: grado superficial, tolerancias, pre-mecanizado, tamaño de carburos Deberán especificarse todos los tratamientos y pre-mecanizados realizados al material, grado superficial y tolerancias para definir su estado de suministro. Si es necesario deberá indicarse cualquier otro factor o propiedad que pudiera afectar en posteriores mecanizados o tratamientos (tamaño de carburos, bandeados...). El acero puede suministrarse en estado de recocido, recocido globular, normalizado, templado y revenido (bonificado). Podrá rechazarse el material si se observan carburos primarios en los límites de grano, o cualquier desviación importante sobre la solicitada del Anexo 1.
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2.4. Comprobación de las indicaciones de calidad (material bruto) Certificado de calidad del material A petición del transformador se puede solicitar un certificado de calidad del material en el que se recogen las principales características del acero en su recepción. Éste documento debería incluir: • Composición química de la colada de origen. En casos especiales puede ser sobre producto. • Estado de suministro. • Dureza en estado de suministro. • Proceso de obtención y forja. De mutuo acuerdo con la acerería se podrá expedir un certificado de calidad que incluirá con mayor detalle las propiedades físicas, mecánicas, químicas, técnicas y metalúrgicas en general. La aportación y asesoramiento de los centros tecnológicos en esta labor es de considerar. Control de recepción Debido a las limitaciones técnicas y económicas y con el objeto de asegurar que se cumplen los requisitos especificados de acuerdo al pliego de condiciones acordado previamente, parece correcto limitar el control de recepción del usuario a los siguientes puntos: Control documental El material en su recepción debe ir acompañado del albarán correspondiente al pedido y del certificado de calidad del material. • Verificación de la correspondencia albarán-pedido: - Control del tipo de material. - Control dimensional (comprobación de peso y/o medida). • Verificación del certificado de calidad del material. Control cualitativo El material se somete a un control cuantitativo, que incluye: • Verificación visual (formación de cantos, defectos superficiales, tales como pliegues, poros, rechupes...). • Verificación de la identificación interna según normas y procedimientos de la empresa. Control cuantitativo • Análisis de dureza Se recomienda realizar un análisis periódico de laboratorio (composición y propiedades).
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3. Aceros para herramientas de trabajo en frío 3.1.
Composición química
La composición química en porcentaje en peso será la siguiente: W.-Nr. 1.2080 1.2101 1.2210 1.2363 1.2379 1.2380 1.2436 1.2510 1.2550 1.2601 1.2721 1.2767 1.2842
C 1,90-2,20 0,58-0,66 1,10-1,25 0,95-1,05 1,45-1,60 2,10-2,30 2,00-2,30 0,90-1,05 0,55-0,65 1,55-1,75 0,45-0,55 0,40-0,50 0,85-0,95
Si 0,10-0,60 0,90-1,20 0,15-0,30 0,10-0,40 0,10-0,60 0,15-0,30 0,10-0,40 0,15-0,35 0,70-1,00 0,25-0,40 0,15-0,35 0,10-0,40 0,10-0,40
Mn 0,20-0,60 0,90-1,20 0,20-0,40 0,40-0,80 0,20-0,60 0,25-0,40 0,30-0,60 1,00-1,20 0,15-0,45 0,20-0,40 0,40-0,60 0,20-0,50 1,80-2,20
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