UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA
PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA,
MECÁNICA ELÉCTRICA Y MECATRÓNICA
“EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL
ACERO D3 SOMETIDO A TRATAMIENTOS TÉRMICOS
CONVENCIONALES Y UN TRATAMIENTO CRIOGÉNICO
ADICIONAL”
Tesis presentada por los Bachilleres:
DANIEL AGURTO RIVERA
ROMÁN REINALDO PORTILLA FUENTES
Para Optar el Título Profesional de:
INGENIERO MECÁNICO
AREQUIPA - PERÚ
2014
i
DEDICATORIA
A Dios por darme sabiduría y constancia.
A mi madre Lili por su sacrificio y apoyo
constante en mi formación.
A mi adorada Juanita quien quiero y aprecio
bastante, supo apoyarme en los momentos más
difíciles de mi carrera.
A todos los Ingenieros q me formaron,
ayudaron y aconsejaron para mi vida
profesional.
Gracias a su formación, cumpliré mis metas.
Daniel Agurto Rivera
A mi abuela, por estar siempre en los
momentos mas importantes de mi vida, por
ser el ejemplo para salir adelante y por los
consejos que han sido de gran ayuda para
mi vida y crecimiento.
ii
Esta tesis es el resultado de lo que me has
enseñado en la vida, ya que siempre has
sido una persona honesta, entregada a tu
familia y una gran líder, pero más que todo
eso... una gran mujer que siempre pudo
salir adelante y triunfar.
A mis queridos padres y hermano quienes
con mucho cariño, amor y ejemplo han
contribuido en mi con valores para poder
desenvolverme como: hijo y gran
profesional.
A mi novia Danya, por haberme apoyado
en todo el desarrollo de mi tesis y juntos
haber logrado el objetivo final.¡¡ gracias!!
Reinaldo Portilla Fuentes
iii
PRESENTACIÓN
En este trabajo de investigación se busca aumentar la vida útil
de los materiales mediante procedimientos térmicos y
criogénicos utilizando el método del ensayo de Impacto Charpy
que nos ayudara a medir la resiliencia de los materiales.
iv
RESUMEN
Es común en ingeniería mecánica utilizar aceros de herramientas en condiciones de
servicio diversas. En este análisis se estudian los efectos producidos al aplicarle a los
aceros de herramienta, altamente aleados de trabajo en frío, un tratamiento criogénico
adicional al tratamiento clásico de temple y revenido.
El fin de dicho estudio es predecir si el tratamiento criogénico produciría un aumento de
la vida útil en las herramientas fabricadas. Los resultados obtenidos por este acero se
contrastan con los obtenidos al realizar los mismos tratamientos criogénicos a un acero,
el WNr. 1.2080 (AISI D3).
Para el desarrollo del trabajo de investigación se han identificado las siguientes áreas.
1. Obtención del material WNr. 1.2080 (AISI D3) y fabricación de las probetas.
2. Obtención, estudio y pruebas de dureza, tenacidad y resiliencia de las probetas.
3. Parte experimental.
Los cambios producidos en este acero al variar los distintos parámetros que componen
los ciclos de temple, tratamiento criogénico y revenido realizados en su tratamiento
térmico, son evaluados a través de las propiedades mecánicas que tienen una mayor
incidencia en el rendimiento de las herramientas a las que van destinados estos
materiales, es decir: dureza, tenacidad y resiliencia
La caracterización de la dureza se determina a salida de temple, después del tratamiento
criogénico así como al final del ciclo térmico completo, mientras que los estudios de la
tenacidad y la resiliencia de los materiales, con y sin tratamiento criogénico, se efectúan
a partir de la resiliencia obtenida en el ensayo Charpy
v
Al realizar los mismos tratamientos al WNr. 1.2080 (AISI D3), se obtiene una notable
mejora tanto en la dureza como en la resiliencia (magnitud que cuantifica la cantidad de
energía por unidad de volumen que almacena un material al deformarse elásticamente
debido a una tensión aplicada).
vi
ABSTRACT
It is common in mechanical engineering tool steels used in various operating conditions.
This analysis examines the effects produced by applying the tool steels, high alloyed
cold work, additional cryogenic treatment to conventional treatment hardening and
tempering.
The purpose of this study is to predict if the cryogenic treatment would produce an
increase in the useful life of the tools manufactured. The results obtained by this steel
are compared with those obtained by performing the same cryogenic treatment to steel,
WNr. 1.2080 (AISI D3).
For the development of the research work has identified the following areas.
Getting WNr material. 1.2080 (AISI D3) and manufacture of the specimens.
Collection, study and testing of hardness, toughness and resilience of the specimens.
Experimental Part.
Changes in this steel by varying the different parameters that make tempering cycles,
cryogenic treatment and tempering heat treatment made are evaluated through the
mechanical properties that have a greater impact on the performance of the tools that
these materials are intended, ie, hardness, toughness and resilience
The characterization of the output is determined hardness tempering after the cryogenic
treatment and at the end of the whole thermal cycle, while studies of the tenacity and
resilience of the materials, with and without cryogenic treatment was performed after
resilience obtained in Charpy test
When making the same treatments WNr. 1.2080 (AISI D3), one obtains a remarkable
improvement in both hardness and resilience (magnitude which quantifies the amount of
energy per unit volume that stores a material to be elastically deformed due to an
applied voltage).
vii
INTRODUCCIÓN
Los aceros de herramienta de trabajo en frío son utilizados en procesos de corte u
operaciones de conformado en frío. La correcta selección de un acero en concreto, entre
esta familia de materiales, se basa principalmente en encontrar la óptima relación entre
la tenacidad, la resistencia al desgaste y la dureza ofrecida por el material.
En los últimos años una gran variedad de aceros han sido desarrollados para mejorar las
prestaciones que ya ofrecían los grados tradicionales. Pero, debido a que cada día son
mayores las exigencias del mercado, es necesario además, optimizar la relación
temperatura - tiempo de los tratamientos térmicos y cuantificar la mejora que podrían
tener sobre las propiedades del material la aplicación de tratamientos adicionales al
tratamiento clásico para aumentar así la vida útil de las herramientas.
viii
ÍNDICE
Contenido
DEDICATORIA.................................................................................................... ii
PRESENTACIÓN............................................................................................... iv
RESUMEN ..........................................................................................................v
ABSTRACT....................................................................................................... vii
INTRODUCCIÓN ............................................................................................. viii
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1. PROCEDIMIENTO TEÓRICO.................................................................. 1
1.1.1. Titulo de la Tesis. .................................................................................... 1
1.1.2. Descripción.............................................................................................. 1
1.2. OBJETIVOS. ............................................................................................ 1
1.2.1. Objetivos Generales................................................................................. 1
1.2.2. Objetivos Específicos. .............................................................................. 2
1.3. ALCANCES Y LIMITACIONES.................................................................. 2
1.3.1. Alcances.................................................................................................. 2
1.3.2. Limitaciones............................................................................................. 3
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1. ACEROS DE HERRAMIENTA ................................................................. 4
2.2. ACEROS DE HERRAMIENTA DE TRABAJO EN FRÍO .......................... 4
2.3. PROCESOS DE OBTENCIÓN................................................................. 5
2.4. APLICACIONES....................................................................................... 7
2.5. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO............................................ 7
2.6. MICROESTRUCTURA........................................................................... 10
2.7. Constituyentes más Importantes de los Aceros. .................................... 12
2.8. TRATAMIENTOS TÉRMICOS ............................................................... 17
2.9. TRATAMIENTO CLÁSICO: TEMPLE Y REVENIDO.............................. 19
2.9.1 Temple .................................................................................................... 19
ix
2.9.2. Precalentamiento ................................................................................... 19
2.9.3. Austenización......................................................................................... 20
2.9.4. Enfriamiento ........................................................................................... 21
2.9.5. Revenido ................................................................................................ 24
2.10. TRATAMIENTO CRIOGÉNICO............................................................. 26
2.10.1. Marco Histórico ................................................................................... 27
2.10.2. Aplicaciones ........................................................................................ 28
2.10.3. Equipamiento para los tratamientos criogénicos ................................. 29
2.10.4. MATERIAL USADO PARA EL TRATAMIENTO CRIOGENICO: ......... 29
2.11. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA...................................................... 35
CAPÍTULO III
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
3.1. MATERIALES......................................................................................... 44
3.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .................................................... 46
3.2.1. CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL...................................... 46
3.2.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS REALIZADOS........................................ 49
CAPITULO IV
RESULTADOS Y ANÁLISIS
4.1. ANÁLISIS METALOGRÁFICO .................................................................. 66
4.2. ENSAYO DE DUREZA.............................................................................. 72
4.3 REPORTE ENSAYO CHARPY .................................................................. 76
CONCLUSIONES ............................................................................................ 79
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 80
ANEXOS .......................................................................................................... 82
x
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1. PROCEDIMIENTO TEÓRICO.
1.1.1. Titulo de la Tesis.
“EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO D3
SOMETIDOS A TRATAMIENTOS TÉRMICOS CONVENCIONALES Y UN
TRATAMIENTO CRIOGÉNICO ADICIONAL”
1.1.2. Descripción.
Este procedimiento es de impacto mediante un Péndulo que permite medir la
energía absorbida en el instante que fractura la probeta, a este proceso se le
conoce como Resiliencia.
1.2. OBJETIVOS.
1.2.1. Objetivos Generales.
Evaluar las propiedades mecánicas y analizar los cambios micro estructurales
del acero D3 mediante el ensayo de dureza y ensayo charpy, antes y después del
Tratamiento Térmico de Temple y Tratamiento Criogénico.
1
1.2.2. Objetivos Específicos.
• Caracterizar la relación entre las propiedades fundamentales al cambiar la
relación temperatura-tiempo en los ciclos de temple y revenido de un nuevo
acero de trabajo en frío que surgió en los últimos años: AISI D3.
• Evaluar los cambios producidos al añadirles al tratamiento clásico un
tratamiento criogénico adicional, comparando el efecto en las propiedades
mecánicas el cambio de medio de temple, temperaturas, velocidades de
calentamiento y enfriamiento del ciclo criogénico.
• Cuantificar los resultados obtenidos al aplicarle los mismos tratamientos
criogénicos a un material de referencia (WNr1.2080 AISI D3) ya estudiado
por varios investigadores.
1.3. ALCANCES Y LIMITACIONES
1.3.1. Alcances
Este procedimiento permite obtener medidas de la resistencia al impacto de las
muestras después de ser sometidas a un tratamiento térmico. Este método puedes
ser usado para propósitos de rutina o inspección, también evalúa el efecto de las
variables del tratamiento térmico, materia prima y condiciones de procesamiento
que ejercen sobre la resistencia al impacto.
• Procedimiento método Charpy: Este procedimiento es de impacto de una
probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos donde el péndulo cae
sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del
2
péndulo (h) y la final tras el impacto (h’), permite medir la energía absorbida
en el proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía
absorbida en el área debajo de la curva de carga, desplazamiento que se le
conoce como resiliencia.
1.3.2. Limitaciones
• No se debe de calentar la probeta a más de los 1300 ºC por que sufriría
cambios físicos de deformación.
• Las evaluaciones a realizar al acero D3 serán puntuales, debido a que es un
acero no comercial y esto dificulta el abastecimiento en el mercado local.
3
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1. ACEROS DE HERRAMIENTA
Los aceros de herramienta son principalmente un subgrupo de los aceros aleados,
siendo estos materiales los utilizados en la fabricación de herramientas,
entendiéndose como herramienta el utillaje utilizado por la industria.
Esta familia de aceros puede clasificarse de distinta forma dependiendo de la
característica escogida. Si ésta es el porcentaje de elementos de aleación, se dividen
en: aceros de alta, media o baja aleación. Si en cambio, uno se refiere a la
aplicación que se les dará, se hablará de: aceros de trabajo en frío, aceros resistentes
al choque, aceros rápidos, aceros de trabajo en caliente o aceros para moldes de
plástico. Si por el contrario, se clasifican según el mercado y aplicaciones a las que
va destinado se clasifican en: aceros de composición estándar y aceros de
composición especial. Los aceros del primer grupo son fabricados en una amplia
gama de medidas y existe una nomenclatura para referirse a ellos. Por su parte, los
del segundo grupo son destinados a aplicaciones específicas, vendidos en una
reducida gama de medidas y conocidos por el nombre que una determinada acería
ha comercializado.
2.2. ACEROS DE HERRAMIENTA DE TRABAJO EN FRÍO
Bajo la denominación de aceros de trabajo en frío se pueden englobar: los aceros de
herramienta al carbono, los aceros de choque y los aceros altos en carbono y en
4
elementos de aleación. Las principales características de esta familia de aceros son
la elevada dureza, la elevada resistencia al desgaste y una moderada tenacidad.
Estos aceros poseen niveles muy controlados de S, O, H, P. En los aceros de trabajo
en frío la composición química (%C y % elementos de aleación) suele ir ligada a la
dureza y resistencia al desgaste que deban poseer en servicio. Así, la principal
finalidad de adicionar elementos de aleación es la formación de carburos, aunque
también estos elementos mejoren otras propiedades como puedan ser la resistencia
a la corrosión.
Pero aumentar esta última propiedad no es su finalidad principal, como sí lo es en
cambio para los aceros inoxidables (aunque algunos grados tengan mayor
contenido en Cr que éstos).
La más significativa diferencia metalúrgica entre los aceros de herramienta y los
aceros al carbono o aleados es su micro estructura, formada por martensita revenida
con mayor o menor porcentaje de carburos de elementos de aleación.
Adicionalmente, estos aceros presentan también una mayor facilidad en la
realización de los tratamientos térmicos (mayor templabilidad y mínima
deformación en el tratamiento) y una mayor dificultad a ser mecanizados que los
aceros al carbono o aleados.
2.3. PROCESOS DE OBTENCIÓN
El proceso convencional empieza por fundir el acero, previamente seleccionado, en
un gran horno de arco eléctrico, seguido normalmente por una refinación y / o un
refundido del lingote después de seccionarlo, (son usados ampliamente métodos
5
como el AOD: refinación sin vacío, por medio de argón-oxígeno, VAD: refinación
en vacío con agitación continúa de argón , VAR: refundido por arco bajo al vacío o
ESR: refundido bajo escoria electroconductora). Una vez refinado, el metal fundido
es vertido del horno a un caldero para, posteriormente, ser vaciado a lingoteras para
obtener los lingotes.
A pesar de que el acero es muy homogéneo en estado fundido, al solidificarse los
elementos de aleación se segregan, resultando en una estructura heterogénea. En
aceros con elevado porcentaje en carbono y elementos de aleación, los carburos se
precipitan desde la fundición y se forman en cadenas intergranulares burdas.
Procesos subsecuentes de forjado y laminación son necesarios para romper y refinar
la micro estructura.
El proceso pulvimetalúrgico también comienza con la fusión de la chatarra en un
horno de arco eléctrico o de inducción, pero en vez de ser vaciado en lingoteras, el
metal fundido pasa a través de una boquilla donde un gas a alta presión hace
estallar el chorro de metal, formando pequeñas partículas relativamente esféricas
que solidifican rápidamente para, posteriormente, ser acumuladas en forma de
polvo. Las partículas así formadas, a diferencia del proceso convencional, no tienen
segregaciones y los carburos presentes son extraordinariamente finos, tamaño que
se mantendrá en el producto final gracias a la elevada velocidad de enfriamiento.
Una vez obtenido el polvo, éste es cribado y cargado en contenedores de acero que
son evacuados y sellados para luego, por vía PIC (Prensado isostático en caliente),
ser prensados isostáticamente en caliente a temperaturas cercanas a las de forja y
6
presiones de alrededor de los 200 MPa. Así se obtiene un compacto totalmente
denso que después del proceso de laminación o forja tenga densidad aparente.
2.4. APLICACIONES
Los aceros de herramienta de trabajo en frío son usados principalmente en los
procesos de conformado en frío (embutición ,estampado, acuñado o doblado),
procesos de corte, en insertos para moldes de plástico con cargas abrasivas, en
punzones y matrices para prensar polvos (pulvimetalurgia ) o en hileras para extruir
en frío aceros o aleaciones ligeras.
2.5. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO.
Entre las principales propiedades mecánicas de los aceros mencionaremos algunas,
tales como ductilidad, dureza, maquinabilidad, resistencia, resistencia al desgaste,
templabilidad y tenacidad al impacto, entre otras.
• Ductilidad: Propiedad de los materiales a poder deformarse sin romperse.
Es una medida de grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta
la fractura. La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento
relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El
alargamiento relativo porcentual, %EL, es el porcentaje de deformación plástica.
%EL = [(lf – lo) / lo] x 100 (1)
Donde:
lf es la longitud en el momento de la fractura
lO es la longitud de prueba inicial.
7
El porcentaje de reducción de área % AR se define como
%AR = [(AO – Af) /Ao] x 100 (2)
Donde:
AO es el área de la sección inicial
Af es el área de la sección en el momento de la fractura
Los valores del porcentaje de reducción de área son independientes de AO y lO, y
tanto lf como Af se miden después de la rotura, volviéndose a colocar juntas las
dos piezas resultantes.
El conocimiento de la ductilidad de un material es muy importante, por ejemplo,
indica al diseñador el grado en que una estructura podrá deformarse antes de
producir la rotura.
A menudo se dice que los materiales relativamente dúctiles son “indulgentes”,
en el sentido de que cualquier error en el cálculo de la tensión de diseño lo
ponen de manifiesto deformándose antes de producirse la rotura
• Dureza: Resistencia que ofrece un acero a la deformación plástica al dejarse
penetrar. Depende del porcentaje de carbono, tipo de carburos que constituyen al
acero y micro estructura obtenida en el tratamiento térmico realizado. Al
someterse al efecto de la temperatura, la dureza es la resistencia del material al
ablandamiento. Cabe resaltar que el cobalto mejora el comportamiento de la
matriz y además existen otros elementos formadores de carburos como el Cr, W,
Mo y V que favorecen esta característica.
8
• Maquinabilidad: Facilidad de un material para permitir que se mecanice por
arranque de viruta y para ser trabajado por corte. Los carburos aleados y las altas
durezas dificultan la maquinabilidad.
• Resistencia: Capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse
o deformarse permanentemente.
• Resistencia al desgaste: Resistencia que ofrece un material a deteriorarse
cuando está en fricción con otro, resistencia a la pérdida de tolerancias
dimensionales y la pérdida de filo. La presencia de carburos aleados mejoran la
resistencia al desgaste.
• Templabilidad: La templabilidad es una medida de la profundidad a la cual un
metal puede endurecerse por medio de procesos normales de tratamiento
térmico. A mayor porcentaje de elementos aleantes, mayor es la templabilidad.
La templabilidad es necesaria cuando se requieren propiedades homogéneas a
los largo de la sección transversal de la herramienta. El cobalto disminuye la
templabilidad.
• Tenacidad de impacto: Capacidad que tiene un material a que no se produzcan
fisuras o grietas, es la resistencia que opone a romperse (resistencia al impacto),
capacidad de resistir a rotura por choque. Depende del porcentaje de carbono y
del porcentaje y tipo de elemento de aleación, del tamaño y morfología de los
carburos y del tratamiento térmico realizado.
9
Fuente : Kulmburg , A. jllmaier Tratamiento al vacio de herramientas
Figura 2.1: Dureza – Tenacidad para distintos tipos de aceros de herramientas.
2.6. MICROESTRUCTURA
Los aceros de herramienta tienen una microestructura formada por martensita
revenida con un mayor o menor porcentaje de carburos de elementos de aleación
del grupo IV, V, VI de la tabla periódica. Son ampliamente utilizados el Cr, Mo, W
y V aunque en los últimos años se está utilizando ampliamente otro elemento
carburígeno como es el Nb en pequeños porcentajes.
El porcentaje de carburos presentes es principalmente función de su composición
química. En cambio, la distribución, uniformidad, morfología y tamaño de los
carburos depende principalmente del proceso de obtención como se puede apreciar
en la figura 2.1.
10
Los aceros obtenidos por el proceso pulvimetalúrgico, presentan un tamaño de
los carburos muy fino y redondeados debido a la rápida solidificación que ha
tenido lugar y al pequeño tamaño de los carburos obtenidos en los polvos que
posteriormente se sinterizaran vía PIC. También poseen una gran uniformidad y
distribución de los carburos, reflejado en una gran isotropía en cuanto a la
tenacidad obtenida, tanto en el sentido longitudinal como en el transversal a la
dirección de laminación o forja.
En cambio, los aceros obtenidos por el proceso convencional, presentan un gran
tamaño de los carburos y una marcada anisotropía, bandeamiento y segregación
como consecuencia de la lenta solidificación que tuvo lugar en las lingoteras y
los necesarios coeficientes de reducción desde el lingote de colada.
Fuente : Elaboración propia
Figura 2.2: Típicas microestructuras de los aceros de herramienta obtenidos por
el proceso convencional y pulvimetalúrgico a 500X.
11
2.7. CONSTITUYENTES MÁS IMPORTANTES DE LOS ACEROS.
Entre los principales componentes de los aceros están la Ferrita, la Austenita, la
Martensita y los Carburos.
• Ferrita:
Se le denomina hierro alfa debido a que cristaliza en el sistema cúbico y además
es de material ferromagnético. Es una solución sólida intersticial de carbono en
una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro.
Un corte ilustrativo de la celda unitaria de la ferrita se indica en la figura 2.3,
donde los átomos de hierro ocupan las esquinas y el centro del cubo. Esta red es
conocida como cúbica centrada en el cuerpo. Los pocos átomos que acepta la
ferrita encuentran colocación en los espacios que quedan entre las esferas de
hierro. El átomo negro representa al carbono, el cual se ubica en los huecos más
grandes que quedan entre los átomos de hierro. La ferrita acepta muy poco
carbono en su interior.
Figura 2.3: Red cristalina cúbica centrada en el cuerpo de la fase ferrita del
acero.
12
• Austenita:
Es dúctil. Según su contenido de carbono, presenta una dureza alrededor de los
300HB. Se auto endurece rápidamente durante el trabajo con impacto y posee
buenas cualidades de resistencia a la abrasión por rayado.
Los átomos de hierro en la fase austenita asumen las posiciones en una red
cristalina cúbica centrada en las caras, como se observa en la figura 2.4, los
átomos de hierro se acomodan ocupando las esquinas y el centro de cada cara en
una estructura cúbica. En este caso, los átomos de carbono caben en el centro de
cada una de las aristas de los cubos. La austenita tiene una capacidad para
aceptar mayor cantidad de carbono que la ferrita.
Figura 2.4: Red cristalina cúbica centrada en las caras de la fase austenita del
acero.
Figura 2.5: Estructura de la austenita.
13
• Martensita:
Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución
sólida sobresaturada de carbono y se obtiene por enfriamiento rápido de los
aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas como se aprecia en la
figura 2.6.
Figura 2.6: Red cristalina de la fase martensita del acero.
Es una fase meta estable de estructura tetragonal, obtenida por un enfriamiento
brusco de una solución sólida intersticial y que se forma mediante un
movimiento de cizalladura en la red. Al observar al microscopio pueden verse
agujas o fibras rectilíneas aún más finas orientadas en direcciones paralelas.
Dichas agujas aparecen sólo claramente cuando el porcentaje de carbono es alto
siendo en otro caso la apariencia más parecida a hebras de paja amontonada. Si
el enfriamiento es súbito, el carbono queda atrapado en el mismo sitio donde se
encontraba en la austenita y al tratar de acomodarse los átomos de hierro en la
red cristalina de la ferrita, el espacio del carbono se vuelve insuficiente. Esto
produce una fase llamada martensita, con la red cristalina distorsionada. La
martensita no es una fase de equilibrio, el carbono queda atrapado en una
14
posición donde no cabe en la red cúbica centrada en el cuerpo, produciéndose así
una distorsión elástica. Es una fase muy dura y muy elástica. “Es la estructura
más resistente a todos los tipos de condiciones suavemente abrasivas y algunos
ambientes severamente abrasivos” (Extraído del Manual de Soldadura &
Catálogo de Productos de EXSA S.A.). La martensita tiene alta dureza (entre 50
y 68 HRC) que aumenta debido al contenido de carbono en el acero.
El contenido de carbono en el acero suele variar desde muy poco carbono hasta
el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido de carbono
hasta un máximo de 0,7 %C.
• Carburos:
El porcentaje de carburos presentes es función principal de su composición
química, mientras que la distribución, uniformidad, morfología y tamaño de los
mismos dependen del proceso de obtención.
El endurecimiento secundario se produce en los aceros aleados por la
precipitación de carburos distribuidos en toda la microestructura en el rango de
550 – 600° C generalmente.
La influencia de los carburos en la resistencia al desgaste de los aceros depende
de la relación que exista entre la dureza del carburo y la de la matriz. Si la
dureza del carburo es similar a la de la matriz, la resistencia al desgaste
disminuirá debido a que el carburo actuará como un concentrador de tensiones.
Los elementos formadores de carburos más importantes son los siguientes:
15
- Cromo (Cr): Se encuentra en los aceros en un rango de (0,2 – 30,0) %Cr.
Formador de carburos de alta dureza y buena resistencia al desgaste. Cuando
el contenido de cromo es mayor al 12%, hay un alto aumento de la resistencia
a la corrosión. Mejora la templabilidad y comportamiento mecánica a altas
temperaturas. Favorece al endurecimiento secundario.
- Manganeso (Mn): Se encuentra en los aceros en un rango de (0,25 – 19,00)
%Mn. Formador de carburos (no es muy fuerte). Mejora la templabilidad.
Cuando el contenido de manganeso es mayor al 11%, es un acero Hadfield,
que se endurece por deformación y es usado en la minería.
- Molibdeno (Mo): Se encuentra en los aceros en un rango de (0,12 – 10,00)
%Mo.
Fuerte formador de carburos. Aumenta significativamente la templabilidad y
la resistencia al desgaste. Mejora las propiedades mecánicas a altas
temperaturas.
Favorece al endurecimiento secundario.
- Tungsteno (W): Se encuentra en los aceros en un rango de (0,4 – 21,0) %W.
Fuerte formador de carburos. Mejora la templabilidad y la resistencia al
desgaste. Mejora las propiedades mecánicas a altas temperaturas. Favorece al
endurecimiento secundario.
16
2.8. TRATAMIENTOS TÉRMICOS
El objetivo primordial al realizarse los tratamientos térmicos en los aceros de
herramienta de trabajo en frío es conseguir que los útiles y herramientas posean una
aceptable y suficiente tenacidad con una determinada dureza y resistencia al
desgaste, una vez haya sido escogido el grado que mejor prestaciones pueda aportar
a la aplicación que va destinado.
El ciclo térmico básico de los aceros de herramienta de trabajo en frío consiste en
calentarlos hasta altas temperaturas para austenizarlos. Esta temperatura dependerá
del grado escogido entre esta familia de aceros: temperaturas entre 800 y 880 °C
son suficientes para aceros de baja aleación y en cambio temperaturas mayores
(1020 - 1070 °C) son necesarias para aceros de trabajo en frío altamente aleados.
Posteriormente estos materiales son templados hasta temperatura ambiente y,
finalmente, recalentados a temperaturas entre 180 - 550 °C para revenirlos.
Una característica de los aceros de trabajo en frío de baja aleación es que éstos se
reblandecen al ir aumentando la temperatura de revenido. La cantidad de
reblandecimiento depende de la temperatura a la que son expuestos y las
características del grado. En cambio, aceros de alta aleación pueden mostrar en el
revenido un endurecimiento secundario a temperaturas ente los 500 y los 540 °C
reteniendo o incluso en algunos grados superando la dureza a salida del temple. En
la figura 2.7 se esquematiza el comportamiento de los aceros de alta y baja
aleación.
17
Fuente : Kulmburg , A. jllmaier Tratamiento al vacio de herramientas
Figura 2.7: Típico comportamiento durante el revenido de los aceros de
herramienta de alta y baja aleación.
A los útiles y componentes de costo relativamente elevado, de costosa sustitución o
de alta responsabilidad, pueden realizárseles distintos tratamientos adicionales al
tratamiento clásico de temple y revenido para principalmente aumentar la vida útil
en determinadas condiciones de trabajo, al permitir bajar el coeficiente de fricción y
mejorar la resistencia al desgaste ya sea por incremento de micro dureza superficial
o reducción de la afinidad con la pieza a conformar. Distintos tratamientos
aplicados a los aceros para la conformación en frío son mostrados en la figura 2.8.
18
Fuente : Kulmburg , A. jllmaier Tratamiento al vacio de herramientas
Figura 2.8: Tratamientos adicionales usados en los aceros de herramienta.
2.9. TRATAMIENTO CLÁSICO: TEMPLE Y REVENIDO
En este apartado serán comentadas las distintas etapas de que consta el ciclo
tradicional de temple y revenido de los aceros altamente aleados, haciendo especial
mención en los aspectos que se han tenido en cuenta para diseñar los ciclos
térmicos realizados en el presente proyecto.
2.9.1 Temple
El temple consta de 3 etapas: precalentamiento, austenización y enfriamiento hasta
temperatura ambiente.
2.9.2. Precalentamiento
El precalentamiento es la primera etapa del ciclo térmico que debe realizarse a los
aceros de herramienta para minimizar los dos tipos de tensiones que ocurren
durante el temple y que pueden traducirse en distorsiones y grietas en la pieza. El
19
primer tipo de tensiones son las debidas a la expansión térmica que se produce
durante el calentamiento y el segundo tipo de tensiones son debidas a la
disminución de volumen por la transformación de la matriz ferrítica típica de los
aceros en su estado de suministro a una austenítica al alcanzarse la temperatura A1
como se aprecia en la figura 2.9.
Para los aceros altamente aleados de trabajo en frío normalmente se emplea una
sola etapa de precalentamiento si las piezas no son muy másicas ni intrincadas,
como las probetas que se ensayan en este proyecto. La temperatura elegida será
alrededor de la temperatura A1 del acero (810 - 880 °C). Si la herramienta o probeta
a tratar tuviese una forma intrincada, sería recomendable el uso de dos o incluso
tres etapas.
2.9.3. Austenización
La austenización es usada para transformar totalmente la matriz en una estructura
austenítica y disolver en parte los elementos de aleación que se encuentran en
forma de carburos embebidos en la matriz por mantenimiento isotérmico a la
temperatura de austenizado. Es un proceso dependiente de la temperatura y el
tiempo y estos parámetros vendrán marcados por la composición química del acero,
el tamaño de la pieza y las solicitaciones que el acero haya de cumplir. Bajas
temperaturas de austenización proporcionan mayor tenacidad, menores distorsiones
y cambios dimensionales después del tratamiento térmico, pero desarrollan menor
dureza y resistencia al desgaste. En cambio altas temperaturas de austenización
pueden proporcionar mayor dureza y resistencia al desgaste, pero en contrapartida,
20
se obtiene una menor tenacidad y una mayor probabilidad de producirse
distorsiones, cambios dimensionales y grietas de temple.
Los problemas que uno puede encontrarse en ésta etapa del ciclo térmico son:
• Falta de tiempo de mantenimiento que produce una insuficiente
homogenización de la austenita.
• Insuficiente temperatura de austenizado no produciéndose la adecuada
disolución de los carburos, no obteniendo después del temple la dureza deseada
• Crecimiento de grano excesivo al haberse disuelto los carburos que impedían su
crecimiento. Esto normalmente es producido por una elevada temperatura de
austenización, aunque también es posible obtenerlo por elevados tiempos de
exposición a dicha temperatura traduciéndose en un material frágil por éste
excesivo tamaño de grano.
2.9.4. Enfriamiento
Una vez austenizado el acero, el tipo de enfriamiento ideal para los aceros de
herramienta con el fin de conseguir la dureza pretendida en el material, debe ser un
enfriamiento continuo con la velocidad menos severa y el medio menos enérgico
posible, pero suficientes para alcanzar una matriz martensítica con los carburos
embebidos en ella.
La búsqueda del medio menos enérgico reside en minimizar las tensiones de temple
y los cambios dimensionales producidos por la expansión de volumen en la
21
transformación martensítica, al minimizar la diferencia de temperaturas entre la
superficie y el núcleo de la pieza.
La intensidad del enfriamiento depende de la templabilidad del acero, las
dimensiones de la pieza a tratar y la dureza deseada, determinando estos factores el
medio e intensidad deseados.
Los medios de enfriamiento son especificados en las fichas técnicas de los
materiales o pueden ser extraídos de los gráficos TEC (Transformación en
Enfriamiento Continuo) facilitados en los catálogos de los productos. Los
coeficientes de transferencia calorífica a (W/ m2 K) se encuentran tabulados en los
manuales.
Cuando un acero de herramienta es templado, la matriz no es totalmente convertida
a martensita En general alguna cantidad de austenita queda en la estructura y ella es
referida como austenita retenida por no haberse completado totalmente la
transformación martensítica (Mf por debajo de la temperatura ambiente). La
cantidad de austenita retenida durante el temple aumenta al aumentar:
• El contenido de elementos alfágenos por hacer éstos disminuir las temperaturas
de inicio y fin de la martensita (Ms y Mf).
• La temperatura y tiempo de austenización por disolver una mayor parte de
elementos de aleación que estaban en forma de carburos.
• El espesor de la pieza.
22
Fuente : Catalogo Bohler
Figura 2.9: Curvas de Tratamientos Térmicos.
Tabla 2.1: Porcentaje de austenita retenida para distintos grados de aceros de
herramienta.
Nomenclatura %
Acero
Austenita
de Herramienta AISI DIN
retenida
Acero de trabajo en caliente al 5% Cr AISI H13 X40CrMoV5-1 2%
Acero de trabajo en frío al 1,60 % Mn AISI O2 90MnCrV8 15 - 17%
Acero ledeburítico de trabajo en frío al 12% Cr AISI D3 X155CrVMo12-1 30%
Acero rápido al molibdeno AISI M2 HSS 6-5-2 25 - 30%
Fuente Catalogo Bohler
23
2.9.5. Revenido
Después del temple, el acero presenta una microestructura consistente en:
martensita, austenita retenida y carburos. Las herramientas en este estado no tienen
aún aplicación industrial por la gran fragilidad presentada por la martensita
tetragonal resultante del temple y la posible transformación de la austenita retenida.
Por tanto, es necesario realizarles un tratamiento de revenido para aumentar la
tenacidad por medio de un destensionado y transformación de la martensita, y al
mismo tiempo, asegurarse que no haya cambios dimensionales tanto en servicio
como en la realización de posibles tratamientos adicionales.
La temperatura a la que se realizan los distintos revenidos depende
fundamentalmente de las propiedades que con éste se pretendan conseguir. Existen
en el mercado las fichas técnicas de los distintos grados donde se muestran los
gráficos de revenido para cada material (dureza alcanzada por el acero después de
revenirse a distintas temperaturas), tablas sobre la tenacidad presentada a distintas
durezas y una vaga y difusa información en cuanto a la resistencia al desgaste.
Dos son los rangos de revenido realizados a los aceros de herramienta,
conociéndose como revenido a bajas temperaturas y revenido a altas temperaturas,
existiendo entre ellos una zona prohibida de revenido, entre 250 - 450 ° C por
presentarse en ella una fragilidad superior a los otros rangos ya mencionados.
• El revenido a temperaturas bajas (180 - 250 °C) es aplicable a todos los aceros
de trabajo en frío. Éste solo produce un destensionado y una ligera
transformación de la martensita tetragonal resultante del temple. Un solo
24
revenido será suficiente si se reviene a estas temperaturas por no producirse la
transformación de la austenita retenida.
• El revenido a altas temperaturas (500 - 550 °C) es aplicable a los aceros
altamente aleados que presentan dureza secundaria. El número de revenidos a
realizar a un acero de herramientas altamente aleado viene indicado en las fichas
técnicas y su fundamento se explica a continuación:
Después del primer revenido la microestructura consiste en todos los grados de
martensita revenida. Los grados que presenten austenita retenida durante el temple
presentarán además martensita tetragonal recién formada durante el enfriamiento
del revenido y carburos secundarios producto de la transformación de la austenita
retenida durante el revenido. Los grados en los que además de presentar austenita
retenida, ésta sea difícil de transformar, presentarán un porcentaje de austenita
retenida que aún no ha transformado, pero estando ahora capacitada para hacerlo en
el siguiente revenido.
En el segundo revenido la martensita tetragonal recién formada para todos los
grados se revendrá y en aquellos grados que aún poseían austenita retenida se
producirá su transformación, porque es ahora la austenita más propicia al haberse
empobrecido en carbono y elementos carburígenos durante el primer revenido.
El tercer revenido sólo se realiza si durante el segundo revenido ha habido
formación de martensita tetragonal durante el enfriamiento, precisamente para
revenir ésta martensita recién formada.
25
Por tanto, se realizaría un solo revenido si no existiese austenita retenida a salida de
temple y se deseara revenir a esta temperatura, dos revenidos, si en el primer
revenido se realiza toda la transformación de austenita posible, y tres revenidos, si
la austenita retenida fuera muy difícil de transformar y hubiese transformación
durante el segundo revenido.
2.10. TRATAMIENTO CRIOGÉNICO
Bajo el concepto de tratamiento a baja temperatura deben distinguirse dos
categorías dependiendo principalmente la temperatura por debajo de 0 °C
alcanzada en el proceso:
Tratamiento subcero: Donde las piezas alcanzan unas temperaturas de -
80°C, con utilización de hielo seco.
Tratamiento criogénico: Donde la temperatura alcanzada está en unos -
196°C, temperatura correspondiente al nitrógeno
líquido.
El proceso criogénico no es un sustituto de otros tratamientos térmicos para el
acero, sino una extensión del ciclo térmico que involucra, a diferencia de otros
tratamientos adicionales, todo el material y no solo su superficie.
Se basa en predeterminar un ciclo térmico que involucre un enfriamiento de las
piezas en una cámara criogénica, manteniendo el material a esa temperatura
durante 20-40 horas, y finalmente, calentar hasta temperatura ambiente. Las
velocidades de enfriamiento y calentamiento deben ser tales que no induzcan ni
tensiones residuales ni un choque térmico a las piezas tratadas.
26
Muchos beneficios han sido adjudicados al tratamiento criogénico, principalmente
en los aceros de herramienta y en los elementos de rodamiento ó transmisión de
fuerza, algunos son el incremento de:
• Resistencia al desgaste
• Aumento en la vida útil
• Aumento en la tenacidad
• Aumento significativo en la dureza
• Bajo costo de producción
2.10.1. Marco Histórico
A finales del siglo XIX, cuando se empezó a comprimir gases como el oxigeno o
el nitrógeno, ya se dieron cuenta que los recipientes que lo contenían mejoraban
sus propiedades físicas a temperatura ambiente si no se habían agrietado a baja
temperatura por superar la temperatura de transición dúctil-frágil. Este hecho
también fue descubierto por la NASA al comprobar mejoras en los materiales de
los transbordadores espaciales al regreso de sus misiones.
En cuanto a la industria metal-mecánica, su utilización fue en un primer momento
para conseguir una mayor estabilidad dimensional de las herramientas, existiendo
desde el principio de su uso cierta desorientación sobre su utilidad más allá.
Mientras algunos metalúrgicos lo consideraban y lo siguen haciendo como un gran
éxito, señalando que al tratar de esta forma ciertos aceros se conseguía aumentar la
vida de la herramienta en más de un 100%, otros investigadores afirmaban que
empleándolo no se mejoraba sensiblemente su rendimiento.
27
2.10.2. Aplicaciones
Los tratamientos criogénicos en general se aplican en una gran cantidad de
ámbitos:
- En aplicaciones industriales han sido aplicados a los aceros de herramienta
para, principalmente, aumentar la resistencia al desgaste, usándose por
ejemplo en matrices, punzones, sierras, cuchillas o moldes.
- En instrumentos musicales es utilizado para trompetas, saxos, cuerdas de
guitarra y piano. En instrumentos realizados en bronce o latón también se
utiliza para proporcionar mejor tonalidad y mayor calidad en el sonido.
- En aplicaciones armamentísticas se aplica a cañones, rifles o revólveres, ya
que elimina por completo la austenita retenida y evita así los cambios
dimensionales que se dan cuando está transforma en la vida útil del arma.
- En deportes como el golf es utilizado en palos, cabezas y pelotas . En el
patinaje se utiliza para la cuchilla de los patines de hielo
- En la industria metal-mecánica son aplicados a aquellos aceros que después
del temple conservan todavía en su estructura una cierta cantidad de
austenita residual sin transformar, cuyo porcentaje varia con la composición,
temperatura de austenización, medio de enfriamiento, tamaño de la pieza,
etc. y en él se produce la transformación de esta austenita retenida (al igual
que en el tratamiento subcero) causa del aumento en la resistencia al
desgaste respecto a los tratamientos subcero.
28
2.10.3. Equipamiento para los tratamientos criogénicos
Tres tipos de sistemas han sido desarrollados para realizar este tipo de
tratamientos:
- Sistema intercambiador de calor: En este sistema se hace pasar nitrógeno
líquido a través de un intercambiador de calor y el gas de salida se recupera
para utilizarlo como atmósfera en el horno. La atmósfera de esta cámara es
aspirada hacia los serpentines por medio de un ventilador y se hace circular
posteriormente a través de las piezas. Ni el nitrógeno líquido ni el nitrógeno
gas seco entran en contacto con las piezas.
- Sistema por pulverización directa: El sistema de pulverización directa
pulveriza el nitrógeno líquido directamente dentro de la cámara, mientras un
ventilador hace circular el gas por la misma. En este caso, el gas utilizado no
se recupera y tampoco las piezas entran en contacto con el nitrógeno líquido.
- Sistema por inmersión gradual: En este sistema si hay inmersión de la
pieza a temperatura ambiente en un líquido criogénico. Pasado el tiempo de
mantenimiento a la temperatura del líquido criogénico, la pieza se retira del
líquido e inmediatamente se somete a un flujo de aire hasta alcanzar la
temperatura ambiente.
2.10.4. MATERIAL USADO PARA EL TRATAMIENTO CRIOGENICO:
- Nitrógeno líquido
El nitrógeno líquido tiene como características generales, ser inerte, incoloro,
inodoro, no corrosivo, no inflamable y extremadamente frío. El nitrógeno
29
constituye la mayor parte de la atmósfera (78,03% en volumen, 75,5% en
peso). El nitrógeno es inerte y no es combustible, excepto cuando se calienta
a temperaturas muy altas cuando se combina con otros metales, tales como el
litio y el magnesio, para formar nitruros, también se combinan con el
oxígeno para formar óxidos de nitrógeno y, cuando se combina con
hidrógeno en presencia de catalizadores, se forma el amoniaco.
Aunque el nitrógeno es inerte y no tóxico en ciertos momentos puede
representar un peligro para el ser humano ya que este puede actuar como
asfixiante al desplazar el oxígeno en el aire a niveles por debajo de la que se
requiere para sustentar la vida y su inhalación de nitrógeno en cantidades
excesivas puede causar mareos, náuseas, vómitos, pérdida de conciencia, y la
muerte, como resultado de errores de juicio, confusión o pérdida de
conciencia que impide el libre rescate, en bajas concentraciones de oxígeno,
la inconsciencia y la muerte puede ocurrir en segundos y sin previo aviso.
Propiedades físicas del nitrógeno líquido:
• Número atómico: 7
• Peso atómico: 14,008
• Radio atómico covalente: 0,70 A
• Radio del ion N3-: 1,71 A
• Abundancia de los isótopos: N14, 99,62%; N15, 0,38%
• Notación espectral: 1S2; 2S2, 2P3
• Estado físico: Gas incoloro, inodoro e insípido.
30
• Fórmula molecular: N2
• Densidad absoluta: 1,2506 g/L
• Densidad relativa: (aire = 0,9672 kg/m3)
• Densidad del Nitrógeno líquido: 8,8071 g/cm3
• Solubilidad en agua (cm3 por litro):
a 0 ºC.......23,54
a 25 ºC.....14,34
• Punto de ebullición: -195,8 ºC
• Punto de congelación: -209,86 ºC
• Temperatura crítica:-147,1 ºC
• Presión crítica: 33,5 atm
Cambios microestructurales
En la actualidad no están muy claros los mecanismos por los cuales el
tratamiento criogénico mejora la resistencia al desgaste.
Lipson investigó, ya en los años 60, para dos aceros al carbono de 0,89% C y
1,21% Cr, el efecto de los tratamientos criogénicos en los parámetros de celda
para la austenita y la martensita. Él encontró que estos parámetros no
variaban en aire seco o Helio líquido, así él concluyó que era este
refinamiento el resultante del aumento al desgaste obtenido
experimentalmente.
31
En los aceros de herramienta aleados algunos investigadores echan la casi
completa transformación de la austenita retenida en martensita a temperaturas
criogénicas como la principal causa de la mejora de la resistencia al desgaste.
En cambio otros investigadores, justifican la principal causa del aumento de
resistencia al desgaste al realizarse el tratamiento térmico, a la formación de
finos carburos en la martensita siendo está explicación la que hoy en día está
más asentada.
Análisis en herramientas:
Un estudio en el cual se probaron diez herramientas construidas con aceros de
herramientas y un acero inoxidable, los cuales fueron probados contra el
desgaste, utilizando como sistema de desgaste un disco metálico de Ni-Cr-Mo
y agua como lubricante para mantener la temperatura, comparando su
comportamiento entre unas tratadas únicamente con tratamientos térmicos de
altas temperaturas y las otras después de haber sido sometidas a un proceso
que incluyo, tratamiento térmico a altas temperaturas y tratamiento criogénico
-190°C (-310°F).
En la tabla 2.2 y en la figura 2.10 se pueden observar los resultados de las
herramientas tratadas así como su comportamiento ante el desgaste.
32
Tabla 2.2: Comparativa de Resistencia al Desgaste en aceros
Fuente: Estándares Americanos de los Metales
33
Figura 2.10. Aumento de la resistencia al desgaste, en algunos aceros, por
medio de tratamientos criogénicos
Fuente: Estándares Americanos de los Metales
El grupo de herramientas que experimento el tratamiento en criogénico (-190
°C), mejoro su resistencia al desgaste hasta un 104% hasta el 560% en
comparación al grupo que fue tratado únicamente por medios térmicos de alta
temperatura. Estos resultados experimentales nos dan una muestra de cómo el
tratamiento criogénico mejora notablemente las propiedades de los materiales.
34
2.11. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA
Ensayo de Impacto Charpy
La fractura de materiales de ingeniería es casi siempre un hecho indeseable por
varias razones las que incluyen, la seguridad de vidas humanas, pérdidas
económicas, y la Interferencia con la disponibilidad de productos y servicios.
Aun cuando las causas de fractura y el comportamiento de materiales pueden ser
conocidos, la prevención de fracturas puede ser difícil de garantizar. Las causas
usuales de ello son la selección de materiales, procesado y diseños inadecuados
de los componentes o su mal manejo. Es responsabilidad del ingeniero anticipar
y planificar las posibles fracturas y en el caso de que ocurran, determinar sus
causas y tomar medidas preventivas apropiadas para futuros incidentes.
Las típicas clases de fracturas son fractura dúctil, fractura frágil, fractura por
fatiga, fractura por Creep y fractura debida al medio ambiente. Las fractura
simple es la separación de un cuerpo en dos o mas trozos como respuesta a una
tensión que puede ser estática (constante o variando lentamente con el tiempo) y
a temperaturas que son bajas en relación a la temperatura de fusión del material.
Las tensiones aplicadas pueden ser de tracción, compresión, de corte o
torcionales.
Los tipos de fracturas típicos son dúctiles y frágiles. Esta clasificación está
basada en la capacidad del material a experimentar deformación plástica. Los
materiales dúctiles típicamente exhiben una sustancial deformación plástica, con
35
alta absorción de energía antes de la fractura. Por otro lado, hay una pequeña
deformación plástica y una baja absorción de energía en la fractura frágil.
Cualquier proceso de fractura involucra dos etapas, iniciación de la fisura y su
propagación como respuesta a las tensiones impuestas. El tipo de fractura es
altamente dependiente de los mecanismos de propagación de la fisura.
La fractura dúctil está caracterizada por una gran deformación plástica en la
vecindad de la punta de fisura. Además, el proceso se lleva a cabo relativamente
lento a medida que la fisura se extiende. Así se dice que la fisura es estable. Esto
significa que se resiste a cualquier propagación a menos que haya un incremento
en las tensiones aplicadas. Además generalmente se apreciara un incremento
grosero en la deformación en sus superficies de fractura. Por otro lado para la
fractura frágil, la fisura se puede propagar extremadamente rápido (300 a 2000
m/s) con muy poca deformación plástica. Tales fisuras se llaman inestables y su
propagación, una vez comenzada, continuará espontáneamente sin un
incremento en las tensiones aplicadas. Se aclara que también pueden existir
inestabilidades dúctiles.
La fractura dúctil es casi preferible por dos razones. Primero, la fractura frágil
ocurre repentina y catastróficamente sin ninguna advertencia, consecuencia de la
espontánea rápida y propagación de la fisura. Por otro lado, en la fractura dúctil
la presencia de deformación plástica da aviso que la fractura será inminente,
permitiendo que se tomen medidas preventivas. La segunda, es que se requiere
mayor energía para inducir la fractura dúctil por los que los materiales dúctiles
son generalmente más tenaces. Bajo la acción de una tensión de tracción, la
36
mayoría de los metales son dúctiles, mientras que los cerámicos son
notablemente frágiles.
Fractura Frágil.
La fractura frágil es una particularidad de los materiales que tienen estructura
cristalina cúbica de cuerpo centrado (BCC) y hexagonal., Estos materiales tienen
suficiente ductilidad alrededor de la temperatura ambiente, pero se vuelven
frágiles a bajas temperaturas.
Las superficies de fractura frágil están caracterizadas por dos tipos de marcas
llamadas “V Shaped Chevron” y “River Patterns” como se muestran en las
figuras 2.11 a y 2.11 b respectivamente.
Fuente: Patrones tipo “River Patterns”
Figura 2.11 a.- Patrones tipo “River Patterns”  característicos de la fractura frágil. .
37
Fuente: V Shaped Chevron
Figura 2.11 b - Marcas de “V Shaped Chevron” característicos de la fractura frágil
La dirección de movimiento de la fisura es aproximadamente perpendicular a la
dirección de las tensiones aplicadas y da una superficie de fractura relativamente plana.
Para la mayoría de los materiales cristalinos frágiles, la propagación de la fisura
corresponde a sucesivas y repetidas roturas de los enlaces atómicos a lo largo de planos
cristalinos específicos. A este proceso se le conoce con el nombre de clivaje. Este tipo
de fractura se dice que es transgranular debido a que las fisuras atraviesan los granos.
Macroscópicamente, la superficie de la fractura tiene una textura granular afacetada
como el resultado de cambios en la orientación de los planos de clivaje de una grano a
otro. Esta característica es más evidente en una micrografía electrónica de barrido. En
algunas aleaciones, la propagación de la fisura se da a lo largo de los bordes de grano,
esta fractura se denomina intergranular. En una micrografía electrónica de barrido que
muestra una típica fractura intergranular, se puede observar la naturaleza tridimensional
38
de los granos. Este tipo de fractura normalmente se produce luego de algún proceso que
debilita o fragiliza la región de bordes de grano.
La fractura frágil ha ocurrido en gran cantidad de estructuras soldadas tales como
barcos, puentes, recipientes a presión, tuberías.
Como resultado de la investigación detallada de la causa y medidas preventivas de la
fractura frágil, se encontró que las siguiente tres condiciones deben presentarse
simultáneamente:
1. La existencia de un concentrador de tensiones
2. La existencia de tensiones de tracción
3. Falta de tenacidad de la entalla (baja temperatura)
Las entallas que originan la fractura frágil pueden ser defectos de soldaduras tales como
fisuras, falta de penetración socavados, y solapes etc.
Transición Dúctil – Frágil
Un acero con bajo % de carbono tiene fractura dúctil alrededor de la temperatura
ambiente, pero se vuelve frágil a más bajas temperaturas.
La energía de impacto, también llamada tenacidad de la entalla, se usa para evaluar
cuantitativamente esta transición. Los ensayos Charpy y el de Izod fueron diseñados y
son aún utilizados para medir la energía de impacto. Para la técnica de Charpy V, la
probeta tiene una sección cuadrada, con una entalla maquinada como se muestra en la
figura 3.1, junto a la maquina para hacer este ensayo.
39
La carga es aplicada como un impacto de un martillo pendular con una cierta masa
cuando se libera desde una posición fijada a una altura “h”. La probeta a ensayar se
posiciona en la base como se muestra en la figura 2.12.
h
h´
Fuente: Material and surface engineering for precisión Forging Dies.
Figura 2.12: Ensayo Charpy.
Cuando el péndulo es liberado, un borde en forma de cuña, golpea (con alta velocidad
de impacto) y fractura la probeta en la entalla, la cual actúa como un punto de
concentración de tensiones. El péndulo continua su recorrido alcanzado a una altura
máxima “h’”, la que es menor que “h”. La energía de absorción, registrada de la
diferencia entre h y h’, es una medida de la energía de impacto. En un ensayo de Charpy
el tamaño y forma de la probeta tanto como la configuración de la entalla y su
profundidad son filas, pero si las cambiaremos los resultados del ensayo variaran. La
temperatura a altas temperaturas la energía de Charpy V es relativamente alta,
correlacionándose con el modo de fractura dúctil. Cuando se observa una fractura 100%
40
fibrosa la energía se llama “upper shel energy”. A medida que la temperatura desciende,
la energía absorbida cae relativamente rápido en un rango de temperaturas estrecho. A
menores temperaturas la energía absorbida tiene un valor pequeño y aproximadamente
constante. Esta zona corresponde a la fractura frágil. Esta curva es llamada curva de
transición dúctil-frágil.
TEMPERATURA DE ENSAYO
Fuente: Material and surface engineering for precisión Forging Dies
Figura 2.13: Dependencia de la temperatura del porcentaje de fractura de cizalladura
Alternativamente, la apariencia de la superficie de fractura es indicativa de la naturaleza
de la fractura. Para fractura dúctil, esta superficie aparece fibrosa; contrariamente una
superficie totalmente frágil tiene una textura granular (o carácter clivaje). Entre la
transición dúctil-frágil existen las características de ambos tipos. Frecuentemente el
porcentaje de fractura de cizalladura es graficado en función de la temperatura como se
muestra en la siguiente figura.
41
CHARPY V - MUESCA ENERGIA
TEMPERATURA DE ENSAYO
Fuente: Elaboración Propia
Figura 2.14: Relación entre temperatura y energía Charpy
Para muchas aleaciones hay un rango de temperaturas donde se produce la transición
dúctil-frágil; esto presenta alguna dificultad en especificar una sola temperatura de
transición dúctil-frágil. No ha sido explicitado un criterio, y entonces esta temperatura
es comúnmente definida como la temperatura a la cual la energía de Charpy cae a la
mitad de la energía superior (llamada temperatura de energía de transición (vTe). Otras
formas de definirla es cuando la fractura es del 50% dúctil (llamada Temperatura de
transición de la superficie de fractura (vTs) o cuando la energía es de 20 Joules. Estos
criterios para definir la temperatura tienen aproximadamente los mismos valores.
Cuando ejecutamos un ensayo de fractura usando grandes probetas la temperatura de
transición es mayor con entallas mas marcadas, espesores mayores, la tensión residual
es más grande y la velocidad de carga es más alta. Esto significa que la fractura frágil se
produce fácilmente.
42
FRACTURA FRÁGIL POR
CIENTO
FRACTURA POR CIENTO DEL
ESQUILEO
No todas las aleaciones muestran una transición dúctil-frágil. Aquellos que tiene
estructuras cúbicas de caras centradas (FCC) (incluyendo aleaciones de Al y Cu)
permanecen dúctiles aun a extremadamente bajas temperaturas.
Sin embargo, aleación cúbicas centradas en el cuerpo y hexagonales de alto
empaquetamiento experimentan esta transición.
La mayoría de los cerámicos también experimentan una transición dúctil-frágil aunque
la transición ocurre solamente a elevadas temperaturas, comúnmente por encima de los
1000ºC.
43
CAPÍTULO III
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
3.1. MATERIALES
En este proyecto se selecciona un acero de trabajo en frío: el WNr. 1.2080. Es un
acero de uso no muy común en la industria metal-mecánica es un tipo de acero para
herramientas de corte y estampado de alto rendimiento. Es bastante usado en la
industria, su nombre comercial es K 100 o ESPECIAL K, su nomenclatura por
norma es AISI D3 (DIN X 210 Cr 12).
WNr. 1.2080
Este es un acero ledeburítico para trabajo en frío de alto carbono y alto cromo. Se le
dice ledeburítico porque contiene un porcentaje de carbono mayor al 2%. Es de
excelente resistencia al desgaste, excelente resistencia a la deformación por temple
y de templabilidad profunda. Es deficiente en su tenacidad al impacto y
maquinabilidad. Se usa mayormente para matrices de corte, cuchillas para
guillotina, herramientas para roscar, dados de trefilación y herramientas para
moletear. Su composición química, equivalencias y algunas propiedades son
mostradas en la tabla 3.1.
44
Tabla 3.1: Composición química, equivalencias y propiedades del WNr. 1.2080.
EQUIVALENCIA CON DISTINTAS NORMAS
WERSTOFF
NORMA UNE AISI DIN N° UNI AFNOR BS JIS
ESTADOS GRAN
PAÍS ESPAÑA UNIDOS ALEMANIA ITALIA FRANCIA BRETAÑA JAPON
Grado F5212 D3 X210Cr12 1.2080 X205Cr12KU Z200Cr12 BD3 SKD I
COMPOSICIÓN QUÍMICA EN % PESO
C Si Mn Cr V Mo
2.00 0.25 0.35 11.5 --- ---
Las probetas necesarias para realizar el estudio fueron extraídas de una barra
forjada en el sentido longitudinal de sección 200 x 50 mm.
Sus aplicaciones son rodillos y mandíbulas de laminar rosca, herramientas de
estampaciones y acuñaciones profundas, matrices y punzones de troquelar en frío,
punzones y matrices para embutición profunda, punzones de grabar marcas con alta
carga específica, punzones de enclavar en frío, insertos de moldes para inyectar
termoplásticos y termoestables con cargas abrasivas, matrices y punzones de
prensar polvos, cuchillas de cizalla, cuchillas de corte circular, calibres y galgas,
rodillos para bruñir, hileras para extruir en frío aceros o aleaciones ligeras.
En los anexos se muestran sus propiedades mecánicas fundamentales: dureza y
tenacidad respecto a otros aceros de herramienta.
45
Tabla 3.2: Propiedades físicas del D3.
PROPIEDADES FÍSICAS DEL ACERO D3
Temperatura de ensayo
293 373 473 673 873 Otra Unidades
( K ):
Dilatación térmica lineal 10.5 11.0 11,5 12.0 X10-6 K-1
Conductividad calorífica 20 W . m-1 . K-1
Calor especifico 460 J . Kg-1 K-1
Densidad 7,70 X103 . Kg . m-3
Modulo de elasticidad a
210 X103 MPa
tracción
Temperaturas de
1043 -
transformación alfa- K
1113
gamma Ac1 - Ac3
56 62
Dureza HRC HRC HRC HRC
Fuente: Catálogo Bohler
3.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
3.2.1. CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL
Se emplea la técnica de microscopía óptica para caracterizar
microestructuralmente el material.
Microscopia óptica:
La caracterización microestructural se realiza usando un microscopio óptico de
campo invertido, modelo DX 40, que dispone de hasta 100X aumentos de
resolución (Figura 3.1). Las microestructuras fueron captadas con una cámara
46
digital, utilizando siempre el mismo zoom, con el fin de poder comparar los
resultados una vez analizados mediante un programa de análisis de imagen
(Adobe Photoshop7).
Fuente: elaboración de los Laboratorios de Materiales de la UCSM
Figura 3.1: Microscopio Óptico
CARACTERÍSTICAS
Revólver : Cuadruple punta bola invertida tobera con topes positivos y la
operación lisa.
Ocular de gran campo oculares: 10 X, 25mm, campo 18mm distancia focal.
Etapa: Doble capa mecánica,
Tamaño: 180mmX150mm,
Filtros: esmerilado, filtro azul y filtro verde filtro amarillo.
47
Iluminación: 6V / 20W lámpara halógena, brillo ajustable.
Fuente de alimentación: 220V (50 / 60HZ) o 11 OV (50 / 60HZ).
Antí-hongo: Sí.
El montaje de las muestras se realizó en frío con una resina acrílica y su
preparación mecánica con una máquina automática de esmerilado y pulido de
la marca Struers, modelo LABOPOL-1.
Para la preparación mecánica se usaron 2 discos para el esmerilado: un disco
formado por diamante embutido en resina y agua como lubricante y
refrigerante y otro disco de material composite con pasta de diamante de 9
mm y un lubricante compuesto por una base de etanol. Para el pulido se
utilizó un paño con pasta de diamante de 3 mm y el mismo lubricante que en
el esmerilado.
La revelación de la microestructura se realizó mediante 2 reactivos químicos:
usándose Marble (50 mL de HCl al 32% + 25 mL de una solución acuosa
saturada de CuSO4) cuando querían observarse nítidamente los carburos, y
Nital (1-6 mL de HNO3 en 100 mL de Etanol) cuando se quería determinar la
microestructura.
48
3.2.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS REALIZADOS
Los tratamientos térmicos de temple y revenido se llevaron a cabo en el
laboratorio de Materiales de la UCSM utilizando un Equipo de Soldadura
Autógena (figura 3.2) calentando a una temperatura de hasta más de 900 ºC
controlada por Pirómetros.
Fuente: laboratorio de Materiales de la UCSM.
Figura 3.2 Equipo de Soldadura Autógena
Al haberse realizado los tratamientos térmicos con el equipo de soldadura
autógena sin atmósfera controlada, con el fin de anular los efectos de
descarburación y oxidación que tendrían lugar en la superficie de la probeta
que sería ensayada, se tomaron dos medidas:
49
- Dotar a todas las probetas de un 1 milímetro adicional respecto a las
dimensiones finales para, posteriormente, ser eliminado por rectificado.
- Minimizar el efecto de la pérdida de carbono y oxidación producido por
los gases de la atmósfera (oxígeno, vapor de agua y anhídrido carbónico)
introduciendo las probetas dentro de una caja diseñada para dificultar la
entrada y salida de los gases y recubriéndolas con papel para eliminar la
mayor parte del oxígeno atrapado.
Fuente: . Los aceros de herramienta y su tratamiento térmico (2a parte)
Figura. 3.3. Tiempos en el proceso.
Los tratamientos criogénicos fueron realizados en el mismo laboratorio que los
tratamientos tradicionales de temple y revenido alquilando una cuba, con
nitrógeno líquido en su interior. Se utilizaron unas cestas de acero inoxidable se
introduce una cesta atadas a un alambre para poder controlar el tiempo del
tratamiento criogénico .
50
En la realización de los tratamientos térmicos se varió la velocidad de
enfriamiento, el tiempo de mantenimiento y la velocidad de calentamiento,
indicándose en la siguiente tabla los posibles cambios introducidos para cada
etapa:
Tabla 3.3: Cambios en el proceso
ETAPA CAMBIOS INTRODUCIDOS
El mismo nitrógeno líquido: Sumergiendo en
una cuba de inox la cesta en nitrógeno líquido.
Medio de enfriamiento El nitrógeno a 1 bar de presión: Suspendiendo
la cesta dentro de la cuba en contacto con el
nitrógeno líquido.
15 días.
Tiempo mantenimiento
2 días.
Dejando evaporar totalmente el nitrógeno
líquido al destapar el tapón que cerraba la
Medio de calentamiento cuba.
Dejando enfriar al aire las probetas envueltas
en lana de vidrio.
Este sistema empleado para realizar los tratamientos criogénicos tiene el
impedimento de no poderse controlar la temperatura en su interior, por lo que las
velocidades de enfriamiento y calentamiento que definen el ciclo criogénico,
tuvieron que ser estimadas a través del coeficiente de transmisión del medio
empleado a una determinada presión y un gráfico que relacionase el coeficiente de
transmisión térmica y el parámetro de enfriamiento.
51
Tabla 3.4: Temperatura de temple y temperatura de criogenia
TEMPERATURA TIEMPO TEMPERATURA TIEMPO
DE TEMPLE DE CRIOGENIA
980 ºC 1 hora de ensayo. -193 ºC APROX 48 horas de
ensayo
980 ºC 1 hora de ensayo. -193 ºC APROX 48 horas de
ensayo
980 ºC 1 hora de ensayo. -193 ºC APROX 48 horas de
ensayo
Preparación de la Muestra.
Para el momento de captura, la muestra presenta las siguientes características: Se
capturaron las imágenes de las mitades obtenidas luego del ensayo de impacto de
probetas con dimensiones fabricadas según la norma ASTM E23.
Estándares y Métodos  para pruebas de impacto con muesca de Materiales
Metálicos.
• Las probetas son de Acero AISI D3
• La muestra no fue sometida a desbaste y pulido.
• No se aplicó el ataque químico.
52
Fuente : Elaboración propia
Figura 3.4: Dimensiones de las probetas.
Longitud de muesca a borde: 90 +/- 2º
Lados adyacentes: 90º +/- 10 mm
Dimensiones de la seccion transversal: +/- 0.075 mm (+/- 0.003 in.)
Longitud de especimen: +0,-2.5mm (+0,-0.100 in.)
Centrado de la muesca: +/- 1mm (+/- 0.039 in.)
Angulo de la Muesca: +/- 1º
53
Radio de la Muesca: +/- 0.025mm (+/-0.001 in.)
Profundidad de la muesca:
- Especimen tipo A: +/- 0.025mm (+/-0.001 in.)
- Especimen tipo B y C: +/- 0.075mm (+/-0.003 in.)
Puesto que la muestra que se sometió al ensayo de impacto es del tipo A las
medidas que se debe tener en cuenta para la calibración son las mostradas en la
figura 3.5.
Fuente: Elaboración propia
Figura 3.5: Información para calibración.
De lo antes mencionado se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones para
realizar la calibración:
• La calibración se debe realizar en la arista exterior de la ranura en V, como se
indica con la flecha en la figura 3.5, de una de las mitades de la muestra
obtenida luego del ensayo de impacto, puesto que esta zona de la muestra no
sufre deformación.
Para un procedimiento mas detallado de la calibración véase la sección respectiva
en el Manual del Usuario que se presenta en los anexos de este trabajo de tesis. Se
54
han ensayado probetas sin entalla cuyas dimensiones son mostradas en la figura
3.6.
Fuente: Elaboración propia
Figura 3.6: Dimensiones de las probetas utilizadas en la caracterización de la
tenacidad.
Procedimiento del ensayo de dureza:
1) Lo primero a realizar después de que el soporte o el indentador hayan sido
colocados, será la calibración de la máquina con apropiados bloques
estandarizados de dureza. Las dos primeras indentaciones realizadas no serán
tomadas en cuenta.
2) La probeta debe ser sujetada de tal manera que no ocurra desplazamiento durante
el ensayo.
3) Poner en contacto el indentador con la superficie de la probeta y aplicar la pre
carga en dirección perpendicular a la superficie sin impacto o vibraciones.
4) Establecer la posición de referencia e incrementar la carga adicional de ensayo,
sin impacto ni vibraciones, en un período de 1 a 8 segundos, con lo cual se
obtiene la carga total del ensayo dada por la escala de dureza.
55
5) Manteniendo la pre carga del ensayo, retirar la carga adicional de acuerdo al
tiempo especificado.
6) Durante la realización del ensayo, el aparato deberá ser protegido de choques o
vibraciones.
7) El número de dureza Rockwell es determinado por la diferencia de
profundidades de penetración y es leído directamente.
8) Después de cualquier cambio, ya sea retiro o reemplazo del indentador o el
soporte, se debe estar seguro que el indentador (o el nuevo soporte) esté
correctamente colocado en su posición.
9) La distancia entre el centro de dos indentaciones adyacentes debe ser por lo
menos tres veces el diámetro de la indentación
Metalografía
El Análisis Metalográfico se realizó en el Laboratorio de Materiales de la
Universidad Católica de Santa María.
Los procedimientos de ensayo se realizaron de acuerdo a las normas ASTM E3:
“Preparación de Especímenes Metalográficos” y ASTM E407: “Método de Ensayo
para Microestructuras de Metales y sus Aleaciones”.
Se necesita una preparación muy cuidadosa de la superficie metálica. La descripción
del procedimiento metalográfico empleado se presenta a continuación.
56
Preparación de la probeta metalográfica
La metalografía estudia la estructura microscópica de los metales y sus aleaciones.
Antes de observar un metal al microscopio, es necesario acondicionar la muestra de
manera que quede plana y pulida. Plana, porque los sistemas ópticos del
microscopio tienen muy poca profundidad de campo y pulida porque así
observaremos la estructura del metal y no las marcas originadas durante el corte u
otros procesos previos.
Figura 3.7: Probeta Pulida (Fuente propia)
Las fases de preparación de la probeta metalográfica son las siguientes:
a. Corte de la muestra
b. Montaje (opcional)
c. Desbaste
d. Pulido
e. Ataque químico o electrolítico
57
a. Corte de la muestra
Fuente: Laboratorio de Materiales de la UCSM
Figura 3.8: Cortadora Metalografía
El corte es un proceso en el que se produce calor, por fricción, y se raya el metal.
Si el corte es muy agresivo, no veremos el metal que queremos estudiar sino la
estructura resultante de la transformación sufrida por el mismo. Para reducir
estos efectos al mínimo, hay que tener en cuenta las siguientes variables:
lubricación, corte a bajas revoluciones y poca presión de la probeta sobre el
disco de corte.
Las cortadoras metalográficas están provistas de sistemas de refrigeración,
regulación de la velocidad de giro del disco y de la presión de corte.
58
b. Desbaste
Fuente: Laboratorio de Materiales de la UCSM
Figura 3.9: Pulidora Metalográfica para desbaste grueso.
Durante el proceso de desbaste se eliminan gran parte de las rayas producidas en
el corte.
Se realiza en una pulidora empleando discos abrasivos de distintos diámetros de
partícula, cada vez más finos.
Cada vez que se cambia de disco, es muy importante limpiar muy bien la probeta
con agua abundante para eliminar los posibles restos de partículas del disco
anterior, así evitamos que se produzcan rayas por partículas que hayan podido
quedar del disco anterior cuando estamos trabajando con un disco de grano más
fino.
59
c. Pulido
Se realiza con paños especiales, del tipo de los tapices de billar. Como abrasivo,
se puede utilizar polvo de diamante o alúmina. El primero se aplica con un aceite
especial, para lubricar y extender la pasta de diamante y el segundo con agua.
En el pulido apenas hay arranque de material y lo que se pretende es eliminar
todas las rayas producidas en procesos anteriores. El pulido finaliza cuando la
probeta es un espejo perfecto.
Fuente: Laboratorio de Materiales de la UCSM
Figura 3.10: Pulidora Metalográfica para desbaste fino.
d. Ataque químico
En este punto la probeta es plana y está pulida, es un espejo.
El ataque químico pondrá de manifiesto la estructura del metal ya que atacará los
bordes de los granos y afectará de manera diferente a las distintas fases presentes
en el metal.
60
Para cada metal y aleación se utiliza un reactivo de ataque diferente. En el caso
del acero el más utilizado es el NITAL, que se prepara disolviendo ácido nítrico
en etanol. Cuando el acero es inoxidable se suele realizar un ataque
electroquímico.
En la fotografía aparece la probeta antes de ser tratada con Nital-5 (nítrico en
etanol al 5%). Después del ataque perderá su brillo.
Fuente: Elaboración propia
Figura. 3.11: Probeta luego de realizarse el pulido final
e. Microscopio metalográfico
El microscopio metalográfico se diferencia del ordinario, fundamentalmente, en
su sistema de iluminación. La luz no puede atravesar el metal y por tanto la luz
entra en el objetivo después de ser reflejada en la probeta metálica.
Los microscopios metalográficos suelen llevar un acoplador para montar una
cámara fotográfica o de video ya que, para poder estudiar mejor la estructura del
metal, se obtienen microfotografías.
61
Fuente: Laboratorio de Materiales de la UCSM
Figura 3.12: Microscopio Metalografico DX 40
En la imagen puede verse la probeta sobre la pletina del microscopio, debajo
están los objetivos y a la derecha la fuente de luz.
 Resultados
Fuente: Elaboración propia
62
Fuente: Elaboración propia
Figura 3.13: Probeta metalográfico antes y después del ataque químico.
Estas microfotografías están tomadas a 100X. En ellas se puede observar la
probeta antes y después del ataque con ácido nítrico.
La observación directa, sin ataque químico, permite observar la presencia de
nódulos de grafito, grietas e irregularidades. Además, en la parte superior se
observa una raya no eliminada durante el proceso de pulido.
Después del ataque, aparecen visibles los límites de grano y las distintas fases de
la estructura del acero.
63
 Tamaño de grano
Fuente: Elaboración propia
Fuente: Laboratorio de Materiales de la UCSM
Figura 3.14: Probeta Metalográfica con sus diferentes tamaño de grano
Hay varios métodos para determinar el tamaño de grano de un metal. Uno de
ellos consiste en tomar una microfotografía, con una cámara adaptada, a 100X
(como la de la imagen de la izquierda) y compararla con los patrones de la
ASTM (Sociedad Americana de Ensayo de Materiales). A partir de estos
patrones se pueden deducir el tamaño medio de grano y su superficie.
 Dureza
La dureza ha sido determinada con un durómetro HOYTOM-tipo Minor 69
mediante el ensayo de penetración, aplicando una carga de 150 Kp con un
indentador de cono de diamante con un ángulo entre caras de 120 °. Leyendo
64
posteriormente por lectura directa, el valor de dureza en la escala Rockwell C.
La figura 3.15 muestra una fotografía del durómetro utilizado.
Se ha controlado la dureza obtenida a salida de temple, después de los
tratamientos criogénicos y después de realizar los ciclos completos. El valor
dado corresponde al promedio de 3 medidas realizadas.
Fuente: Laboratorio de Materiales de la UCSM
Figura 3.15: Durómetro Digital.
El ensayo de penetración a salida de temple y del tratamiento criogénico se
realizó sobre 2 caras desbastadas. En cambio, la dureza después del ciclo
completo se obtuvo sobre 2 caras paralelas rectificadas.
65
CAPITULO IV
RESULTADOS Y ANÁLISIS
4.1. ANÁLISIS METALOGRÁFICO
CARACTERIZACIÓN MICRO ESTRUCTURAL DEL ACERO D3.
A continuación se muestran las fotografías de la micro estructura, luego de realizar
el tratamiento criogénico.
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.1: Probetas del Acero D3
66
Probeta 1: Análisis metalográfico
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.1a: Antes de los tratamientos térmicos
Fuente: Elaboración propia
. Figura 4.1b: Con tratamiento Criogénico.
67
Probeta 2: Análisis Metalográfico
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.1c: Antes de los tratamientos térmicos.
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.1d: Con tratamiento Criogénico.
68
Probeta 3: Análisis Metalográfico
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.1e: Antes de los tratamientos térmicos.
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.1f: Con tratamiento Criogénico.
69
En el análisis metalográfico podemos apreciar la variación en el tamaño de grano,
dando lugar a nuevos cambios en sus propiedades mecánicas tales como son su
dureza, resistencia al choque y podemos apreciar una gran reducción de los granos,
dando lugar al cambio de las faces presentes. Lo cual nos hace suponer la presencia
de martensita.
Las fotografías a 100X de una probeta sin tratamiento térmico alguno (Figura 4.2) y
de otras con sólo tratamiento de temple convencional (Figuras 4.3 y 4.4) se
presentan a continuación.
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.2: Microestructura típica de material sin tratamiento térmico a 100X
(muestra Sin T.T. de la Probeta 1)
70
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.3: Microestructura típica de material tratado térmicamente a 100X
(Probeta 3)
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.4: Microestructura típica de material tratado térmicamente a 100X
(Probeta 2)
71
De las fotografías registradas podemos indicar lo siguiente:
• Matriz: martensita revenida, fondo gris moteado.
• Carburos de forma: masivo, poligonal, globular (esferoidal), grueso y fino.
• Discontinuidad microestructural de carburos: Distribución heterogénea.
• Porcentaje de carburos para la muestra Sin T.T.: 20%
• Porcentaje de carburos para la probeta 2: 13%
• Porcentaje de carburos para la probeta 3: 13%
4.2. ENSAYO DE DUREZA.
El ensayo de dureza se realizó según la norma ASTM E 18 para la escala
Rockwell "C". Los resultados de las durezas obtenidas en el ensayo de Dureza
Rockwell C se observan en las Tablas 4.1 para las temperaturas de temple de
940°C y 980°C correspondientes. Las durezas promedios finales están en la
Tabla 4.2.
Tabla 4.1 Dureza HRC de muestras sin y con TTT.
MUESTRA DUREZA (HRC)
SIN TTT 13.27 15.9 14.2 14.3 14.1
1 37.6 39.6 42.1 42.6 39.8
CON TTT 2 38.5 34.9 41.7 39.7 37.5
3 38.6 42.2 39.8 39.6 41.7
Fuente: Elaboración propia
72
Gráfico 4.1 Resultados de Dureza con y sin TTT.
73
73
Tabla 4.2 Dureza HRC de muestras sin TTT, con TTT y con tratamiento
Criogénico.
MUESTRA DUREZA (HRC)
SIN TTT 13.27 15.9 14.2 14.3 14.1
1 37.6 39.6 42.1 42.6 39.8
CON TTT 2 38.5 34.9 41.7 39.7 37.5
3 38.6 42.2 39.8 39.6 41.7
1 45.9 46.9 46.1 45.9 46.8
CON
TRATAMIENTO 2 47.1 47.9 49 50 49.3
CRIOGENICO
3 40.3 40.5 46.4 45.6 44.6
Fuente: Elaboración propia
74
Gráfico 4.2  Resultados de Dureza HRC de muestras sin TTT, con TTT y con tratamiento Criogénico.
Fuente: Elaboración propia
SIN TTT                        CON TTT                           TRATAMIENTO CRIOGÉNICO
75
75
4.3 REPORTE ENSAYO CHARPY
Según lo recomendado por la norma ASTM E 23, para el reporte del ensayo de
Impacto se debe tener en cuenta lo siguiente:
Figura 4.5: Maquina de Charpy
Figura 4.6: Características de la probeta para ensayo charpy
76
De lo antes mencionado se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones para
realizar la calibración:
La calibración se debe realizar en la arista exterior de la ranura en V, como se
indica con la flecha en la figura, de una de las mitades de la muestra obtenida luego
del ensayo de impacto, puesto que esta zona de la muestra no sufre deformación.
Para un procedimiento mas detallado de la calibración véase la sección respectiva
en el Manual del Usuario que se presenta en los anexos de este trabajo de tesis.
Fuente: Elaboración propia
Figura 4.7: Probeta antes y después de realizar el ensayo (22°C)
Valores de Energía Absorbida.
Tabla 4.3: Resiliencia de las probetas.
Resistencia al
Temperatura Energía absorbida
Muestra impacto
(°c) (J)
(
1 22 24.8 7.4
2 22 19.6 5.9
3 22 21.7 6.7
77
Gráfico 4.3 Resiliencia de las probetas.
Fuente: Elaboración propia
78
CONCLUSIONES
La ejecución de los ensayos y evaluación del presente estudio sobre el acero K100
(AISI D3), nos lleva a las siguientes conclusiones:
• El objetivo directo de los ensayos ejecutados fue medir la variación de sus
dureza en la diferentes probetas, las cuales alcanzaron la temperatura deseada de
940 ºC; por tanto podemos decir que después de realizados los tratamientos
térmicos y criogénicos, si hubo una gran variación en su dureza.
• Para el tratamiento de temple convencional, donde se encontraron los valores de
tamaño de granos más altos, se midieron los valores de dureza más bajos. Para el
caso de las probetas con tratamiento de temple + criogenia a –193°C, se
midieron la reducción del tamaño de grano, y a su vez dieron los valores de
durezas más altos.
• A temperaturas más bajas de tratamiento criogénico, la dureza del acero
aumenta. Sin embargo, la variación de resultados a –80 °C en comparación con
los de a –193 °C es muy pequeña (1%); esto indicaría, desde el punto de vista
ingenieril, que no es justificado el tratamiento térmico de estos aceros a
temperaturas criogénicas más bajas de – 80°C. Aún así, desde el punto de vista
académico podemos decir que a temperaturas más bajas de tratamiento
criogénico, la dureza aumenta.
79
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notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, E23-98 , Annual Book of
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CRIOGÉNICOS. Grados de aceros de herramienta que mostraron mejoras
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11)KULMBURG, A.JLLMAIER, H., KÜRBISCH, W. Tratamiento al vacío de
herramientas y moldes con especial énfasis en un temple óptimo. Tratermat.
1980, p. 437-452.
12)LIPSON, C. Wear Considerations in Design. Prentice-Hall, Englewood Clifts,
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14)ONE CRYO CRYOGENIC TEMPERING INC. EMPRESA DE
TRATAMIENTOS CRIOGÉNICOS. Grados de aceros de herramienta que
mostraron mejoras significativas en la resistencia al desgaste del estudio de R. F.
Barran. Louisiana olytecníc ínstitute, 1974. [
http://www.onecrvo.com/onecrvo/manufact.htm. 8 de enero 2004]
15)TRATAMIENTOS CRIOGÉNICOS. Grados de aceros de herramienta que
mostraron mejoras significativas en la resistencia al desgaste del estudio de  R.
F, Barron. Louisiana Polytecnic Institute, 1974. [
http://www.cryointegritv.com/extend.htm. 12 de febrero 2004]
81
ANEXOS
82
GUIA DE PRACTICA 
ENSAYO DE CHARPY 
1. OBJETIVOS
• Analizar el comportamiento de los materiales metálicos al ser sometidos a un esfuerzo
de impacto.
• Determinar la velocidad en el momento del Impacto y la altura inicial a la que es
llevado el martillo seleccionado.
• Identificar los comportamientos frágil y dúctil en la fractura de los metales, mediante
observación visual.
• Observar y reconocer las posibles diferencias que presentan los diversos materiales en
cuanto a ductilidad y fragilidad (en cuanto a su tolerancia a la deformación).
2. INTRODUCCION
La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes 
de fracturar. Evalúa la habilidad de un material de soportar un impacto sin fracturarse. 
Esta propiedad se valora mediante una prueba sencilla en una máquina de ensayos de 
impacto. Hay dos métodos diferentes para evaluar esta propiedad. Se denominan ensayos de 
Charpy. La diferencia entre los dos radica en la forma como se posiciona la muestra. La 
probeta que se utiliza para ambos ensayos es una barra de sección transversal cuadrada 
dentro de la cual se ha realizado una talla en forma de V. 
Esta probeta se sostiene mediante mordazas paralelas que se localizan de forma horizontal en 
el ensayo tipo Charpy. Se lanza un pesado péndulo desde una altura h conocida, este péndulo 
golpea la muestra al descender y la fractura. Si se conoce la masa del péndulo y la diferencia 
entre la altura final e inicial, se puede calcular la energía absorbida por la fractura. 
El ensayo de impacto genera datos útiles cuantitativos en cuanto a la resistencia del material al 
impacto. Sin embargo, no proporcionan datos adecuados para el diseño de secciones de 
materiales que contengan grietas o defectos. Este tipo de datos se obtiene desde la disciplina 
de la Mecánica de la Fractura, en la cual se realizan estudios teóricos y experimentales de la 
fractura de materiales estructurales que contienen grietas o defectos preexistentes. 
3. METODO DE ENSAYO
Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas 
péndulos o martillo pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al 
ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, 
realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método lzod 
y el método Charpy En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, la 
diferencia radica en la pos1c1ón de la probeta entallada, como se muestra en la figura por lo 
que se los denomina flexión por choque. 
El péndulo de Charpy es un dispositivo utilizado en ensayo para determinar la tenacidad de un 
material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. 
El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del 
péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de 
fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el aérea debajo de la 
curva de carga, desplazamiento que se conoce como resihencia. La velocidad que adquiere la 
masa al golpear la probeta queda determinada por la altura del péndulo. Tras la rotura, la 








1 
K 100 AISI : 03 
DIN : X 21 O Cr 1 2 
ESPECIAL K 1 N·'.. . 1 .�080 
Tipo de aleación C 2,00 máx. Cr 12,0 º/o 
Color de identificación Amarillo - 81,mco 
Estado de suministro Recocido 250 HB máx. 
Marca standard de los aceros ledeburiticos al 12º/o de 
cromo para herramientas de corte y estampado de alto 
rendimiento. 
AP ICAClONES: Matrices cortantes de alto rendimiento, hasta 
espesores de 8mm, rasquetas, cuchillas para guillotinas para cortar 
espesores hasta 4mm. herramientas para rebarbat rodillos y peines 
para roscat bordeat acanalar y moletear. Estampas y cuños para 
embutir en frío. 
Dados para trefilar metales no ferrosos. Placas, moldes y cuños para 
la elaboración de materiales cerámicos muy abrasivos. Herramientas 
para prensar en la industria farmacéutica. 
INDICACIONES PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO 
forjar: 1050 aso ()e 
Recocer: (Enfriamiento lento en el horno) º800 850 ( 
Templar: 940 970 '( 
Enfriamiento� (Aceite, baño isotérmico) 
- Dureza Obtenible: al aceite 63 65 HRC -
R venido: Segun Diagrama
70 ,-------.�------.��� -�--.--.........- . 
Duración del 
a::- 60 ·--- --­ revenido: 
nl 
N 
(1J hora. 
Sección de la 
a 55 · 
probeta: 
dJ 20 mm.
sof.._ _  
20 100 200 300 400 500 600 
Temperat ra de revenido en ºC 
Cinc nna i Tool tee Company 
Phone #: (815) 226-8800 (800) 435-0717 Fax#: (815} 226-4388 
AISI D3 
High Carbon/High Chrome Tool Steel 
03 is a high carbon-high chromium steel developed for applications requiring high resislance to
w ar orto abrasion and for resistance to heavy pressure rather than to sudden shock. Because 
or these qualities and its non-deform,ng properties, D3 is unsurpassed for die work on long 
producl1on runs. lt 1s primarily an oil-hardening steel, and it hardens to a great depth The 
production from a die after each grind is consistently uniform. While the impact strenglh is 
comparatively low, by proper adjustment of tool desígn and heal trealment, this steel has been 
used successfully far punches and d1es on quite heavy matenal (up to 1/4 inch lhlck). 
Among the more important applicalions of 03 are lhe following: 
• Blanking, stamping, and cold forming dies and punches for long runs: lamination
dres
• Bending, form,ng and seaming rolls
• Cold lrimmer dies or rolls
• Bumishing dies or rolls
• Plug gages
• Orawing dies for bars or wire
• Slitting cutters
• Lathe centers subject to severa wear
Typical Analysis 
ÍCarbon 2.20 Vanadium 1.00 1 
Chromiurn 12.00 
Annealing 
Pack annealing is preferable for 03. Heat slowly to º1600"F-1650 F and allow the charge to 
· qualize at this temperatura, lhen cool slowly ,n the fumace. In the fully annealed conditlon, D3 
will have a Brinell hardness of 212-248
Hardening 
In general, pack hardening is recommended unless controlled atmospheric fumaces are 
available. Heat slowly and uniformly to º1 /50-1 SOO F Hold 1 to 3 hours at temperature for too Is 
of ordlnary size, or untíl thoroughly heated through. lf it is desired to hest In an open fire, prehoat 
slowly to º1300-1400 F and raise lo the hardening temperature. Quench in oil The quenching 011 
should be slightly warm lo the toucti to msure proper fluidity. 

Ground nn a ed bars 1 inch round by 2 inches long were preheated at 12oo·F. The sample 
ere nsferred to an electric fumace with n atmosphere or abo t 1 O percenl CO held for 30 
and quench d in oil They were then fracturad nd test d for hardness S mples ere 
d cum I vely for 1 hour at the indicated tempera ure. 
t h rd ning range ror both open fir and pack hardening s 1so-1eoo·F. Sectlons 1 inch 
nd nd r 111 h rden in aír from 1eso·F.
1 000 
r 
r 
. 
e ros para Herra 1 ntas 
� -
' ThyssenKrupp 
ThyssenKrup Fortinox .A. 
ceros para ra ajos en río 
02 12379 0,30 0,35 12 0,75 0,90 
THVRODU 2379 
06 1.243 2, 10 0,35 0,30 12 0,70 
THYRODU 243 1 Cromo, con to e e o de C rbono. Mayor res nc1 
pa,a aspesoras has1a 3mm. prax. Herrem,ent 
tr s para p y derwados. 
12990 1.00 0,90 8,00 1,60 1,60 
THYRODU Ulllmo desarrollo de DEW de elevada t nac1dad y I a res1st ncia el de e Cort nles y tr ces es.tam 
do. � er�es para lámtn r roscas Herr as I usíón en t, ·o y embutido profundo. Cuchil!es 
corle. Cil s. Apto l'KIJbnmenta PVD y Nrtrurado. 
A2 l,00 0,30 0,50 5,00 0,95 0,20 
THYRO U 2363 aa al desg ste. Apropiado para 
ntel de cort 
6f3 1.2767 0,45 0,25 0,35 1,40 0,20 00 
ODU 2767 al II cio y 1s1mt1 n idad. Muy buena pul11Jil1d , t tur do y meca­
de cu · rtos. Cortantes para espesores gruesos. Insertos, cuños, 
purvones, ele 
Sl 1.1550 0,00 0,60 0,35 l,10 0,20 2,00 
THY ODU 2550 o, templa e , con mi# b na tenacidad en a duren. M 
chapa hast 12mm �espesor.Punzo s, cuños, cuchi s. eyectore , s 
01 1.2510 0,95 0.20 1,10 o,eo 0,10 o,eo 
THY ODU 2510 e, res1 nte desga e, bu na d a y tt>nae1dad. Herr n as de cort 
. 
;'l�éTAMIENTO.TERMlCO DE ACEROS PARA TRABAJOS EN FRIO '. f ·. - · . ·. 
• • • • • 
) 1000·1030 e) 180-400 )62 58 V, cío. re·k . s (500.5500C) 
THY ODU 2379 � 
b) 1050 1080 b) 520 560 b) 62-56
THY OOU 2436 800-840 950-980 200-500 63-56 Ar. ,1e - Sal s (500-550'C) 
Y ODU )1030 l eo-ss V cío • Aire • A.e e. S. (500.55 O"C) 830-860 500-575
b) 1080 b)63 57
Y ODU 236 80()..840 930-970 200-600 62-52 /iJr - Vacío • A.e s (500-55D"C) 
Y ODUR•2767 610-650 840-870 180-400 54-t.6 (180-220°C} 
DU 2510 740 770 780-820 180·400 53.5 Aceite - B no t rm 1 ( 180·220 ºC) 
THYRODU 2550 710·750 870-900 180-400 60-52
ceros rá y p 1 1me rg·cos 
• • • • • ••
l 43 0,90 0,30 0,30 .d, 10 5,00 1,90 6,40 
nte comportamie e I corta debido a su balanceada compo c16n 
THY PID 3343 des es epi e" e muy 11stac o m nt como acero par bajos en
en fr"o en mientas d corte par 11snq de viruta: fresas, bíccas, 
• t • • 1 • 
• •• • ' 1 • • • ' • • .,.; . .. 1 APTO TEMPLE At: _, . :.:, .•.. ·. :� 
THY PID 334 770 860 l 130-12 O 3ll 530-570 6 6" 
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:A�E�ósiu(v1titerAUÍRG1cos . 1 . : 1 . . · 
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1,30 0,40 ,40 4 30 4,80 .4,10 5 40 
le corfi , 
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TS 870-900 1080-1220 58 65 Vacíe • Álre ·Aceite· Sales (500-SSO"C) 
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ESPESOR DEL MllTERIAL AL SER mRTADO EN M 








0 LE 
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80 100 
C m r i on qu litativ dM Comparación cualitativa de las 
e r et mtique les plus importantes propiedades e enciales 
Rti tanct il l '1151Kf R t�t ne, i l'usurt T o.;¡cil� Rtsbli1nc1 i li1 St bilít� dim,nsionn,lle 
u ce I ,a (,, ,a, v,) 1 hkiv 1 compre ssl on Ion du tr it mtnt th rmiqu 
ÓHLER 
Rr:sl)t nci i11 dl!Sg sl11 Rnht nci. 111 dng J11 T dd d Resi1,l1mcia ,. bt, bilid.ld d,m n ion.i m el 
(abr i1Vi1) lad lval comprt>sión Ir t mi nto I muco 
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actm t Tll. 
Acero duro IU I• tia> 1 mangaoew q 001 ne sus propiedad c,,i,tl ,1Js11cas por tnduredm1 nto lrio JO sohotaclOn depr,sió , �to. 
Por 61A I iUÓR 11D IS pmlb:c U c.ornpa, dOO de lel con � Ce!DS te ll 
m des coodi· es <1, HB rnmparam, depend n fu 
delascond lonesderullzaciónd@!traia Hito 
qutei momento a su d pos1tión para r iponder a todas 
li1S cuestiones d e y el �ci6n del ac o. 
] 
1 1 
•• 
Propriét s Propiedades 
uanCf standard d an,r� ledebur1:iq \ a 12'lb Marca st da•d de 1� ace1� led buriticos 112% 
de e r� f 1 1 vana xm d ,n�ion.r,� d aomo con mioim " ria lidad d idas. 
Application Aphcación 
I!: Herraml nt s de corte y estampado· 
ton� pour outík prCNJrmlls PI ou·ils comj>O'Sés 
9f! lt re, ment e form, com-
Outils d'usm y : Herr mientas de virutaJ : 
Outlls d brochag11, oulik. pour la bncatKJn d Biochas, cuch1 la para la fa bnc.anó d viruta d, 
oa de f r, outib :i boi� onement so ot s. acero, rram, tas .ill,rn rite da� para la 1n­
dus1 ta mader ra, flc. 
DI posilifs d mesut Herr mien s de m ditió.t 
1 
H rramientas sin virutaje: 
les f1 ts, molettu á Rod11lcs y pe es para roscar, rodillo\ para pestal'la• 
yac nalar, estampas y naulc s para fabri r tuer­
CJS en frío, euami ntas df embutic"ióo y para pren­
sa,, 'ti1es d. ,xtMión y embutición pro! nda para 
traoa¡ar al anaries 11:¡Pra\ y aC't'ro. pu ooes uo­
quPl.tdore; de molck>s pa¡a rt'W.n ��t�icas. her­
ramien as para molttear. hileras para alambte, 
h1lem y macho\ d, \titar 1 1bos y perfile;, martdri·
les p..ra laminar tubo\ de aceros en lrlo y a p.lso de 
peregrmo, na ti o 1ed aor� para 13 a!>ncadón 
de a ujas. 
Out Is t compo IS r�slstant j l'usure: Herrarnien '/ companentei re�i� nt s al 
desgaste: 
H · r · ·:,,t'fltas de pren\a' para laborar ma·Prta. s 
cerám,cos m.iy brdsivcn, plaúl\ de moldes para la 
fobncaoón d l.3d11lkK (tambi·  n reÍlacta 10s), hP.r-
1amier1tas e prensar para la 11du<itria fa•111JC ;11-
ca, bujes guia para náqu,na, automá1icas. 
wpleme:itos de guía� para rPCuhcadora� s" pJ:,­
tas, polea\ múltiples y anillos para máquinas trefi­
lad ora\ de al more, boq 1illa\ para aref\adora-;, 
herramientas para la industna sinteriza-oo•a 
Ootils pour travall a aud: Herramient.11 para lr bajar en caliente: 
t,� pour mart aJ,. fortement sollicités !)()Uf la H.i � para mazos rnartiiete �ometídos a soli­
fabricatJOn d faax et de faucilles ainsi que poui citación elevada para la fabricatión de guadañas y 
man a �ba tag rapi epourl íorgeaged'aci rs hoces, 1amb' n para martin :u ée alta velocidad 
durs t • a s. g ts fini\sews po¡¡1 la­ para fraguar ac ros uros o de alta aleación, 
s de ro.JeS, f1llff s :i chaud, etc. ad m.1s para peq�lios dli:'1dios laminadOIPS de 
a ta e,ügencia tlnn1ca, extr :n� de rilíndr� cal -
be dos p,ra larmnar arul os, anillos para st1rarer 
cahPnlP, etc. 
- -
(ornpos1t1on ch1m1qu,·-  (valcurs ,nd1c.1t111r� en º• I' 
Composic,on qu1m1c.1 (valore, aproximados en°,·  1 1·� 
l.•  
C S, Mn Cr :· 
2,00 0.25 0,35 11,50 
Normas 
AISI JIS GOST 
< 1.1080> - 03 - SKDl - Ch12
X210Cr12 
5 
1 1 
•• 
00 
Fa�onn ge é ch¡¡u Conformación en cali nte 
Forg ge: Fo,· do: 
1050 • 850°( 1050 a BSOºC
nt dans íou1 ou dans n 1at• . Enf 1am Pntn nto ,n el homo o en material 
moa1slante 
·rr it ment thermique Tra iento té ·co 
Recuit: Re<oc do I do: 
800 • 850º( 800 · 850"( 
Refro rssemcntlentetcon1ról aulouravecuoe Enfnam1ento ll'nlo y controlarlo n el horno 
t r.se el 1 O á 20°( par h ure jusqu'á envi o 10.lOºCJh, hasta (jOQP(. ,enfriJn!'ento post riof al
600°(, pu,s 1efrold1!.l m nt a I' 11. airP
Dureté apres I' r uil. Dt1 • u dl'Spll s del rPCOddo b I r.kr
248 HB maXJ. FMX. 248 Brl el .
Recuit de d Lente: Recocido de eliminación de ternlones· 
En 6lll ·e Aprox. 6'i0°( 
R froid�semtnl l nt daos four. [nham1ento lento en �I hamo.
Pour la d tente ap1 s u�ii ge impo ni ou pour s Para dM1111t.1if la tt>MJori después de un 
outi1s de fo·me cnmp uée. 111z do ex ens.o. o en h rra n as com hca"as 
Tf'lllp�d11 mamtlt'n a Id rempératurl' � rl'� chauf a· Tiempo de permanencia des pu� 1 ca em • 
9' a CDt'Ur: l •2 ' � l'fl mb !'ICP !' JtrP m nto a fondo: 1 · 2 horas n atmósfera 
Tremp Templ · 
940 • 970"( 940 · 970°( 
Huil , en baan de s 1 220 á 2SOºC ou 500 a ACl!Jle, no de \al dli 220 a 250º( o 500 a 
550 C, IIempe pos!.! a l'a r ou r compnm 550°(, P$ po b un temple- al a , o al a com­
pour pa1sseurs de 25 rM1 au m.Jx. et a tem· prnmido Mta un esp,sos mAiimo d 25 mm Pfl el 
�rilturl's de tr m 1 la hmi su • re liml•p SUpl!IIO( e IPITl¡JH turp<; IPmpl 
Tem� de mamtll'n c'l la 1emperatme apre rtlchiluf. r mpo d pP�'IPnoad 'SJlU d I mam, '!to 
fag a cCl'ur · 1 5 • 30 nu u1es a ondl>: 15 • JO min tos. 
Dur ; a II md e· 57. 62 HRC. OU'l'l.cl ob!Pnt · "J7 • 62 HRC. 
Rev n: even do: 
Chau!fage len1 a la tem�r:1 ured r nu imm�,. 
at ntapil!'slatiempe/lempsde�auíour 1 
h w pal20 rnd'épaisseu·, maisaumohs 2 heu 
res J • roid1ssem nt á 1';11 • 
Vous trou. !l les val r� 1nd trve5 d la dureré � 
a tPind e ap l\ 1, e nu da,s le d1agramme d, r • la d1 ,za alcanza 1 
nu. rp. 
Dan!. ce11ainHa. s ,1 tit tile d procéder de manier 
a r�u11e la t nperalure de rewnu t � pro ooger 1 Cn terminados casos pu resuh corr.eniente 
temj)\ de mJ1nh n. r 10 lcl temperatura de revenido, prolongan 1 
mpo permari noa 

1 
Variation dimensionn lle Vañación dimensional 
L variation di cnsioone pendan 1 11.iitement ariación de m idas l mnpklr depend d la 
rmique est fOl'ICtion de la structure a fibres ( r· posición de la� hMamiPnl.� referente a la d11ecci· 
ticales ou horizont s) de la piec pa, 1appo,1 aJ óo 1P,inopal dP lormación (hlva honzontal o r­
sens pri "pal de d formation, des d , nslOns et ce tica!I, d, Lis c!1men•.1011PS ydl' la forma. aslcomo d 
la forme, de mé11 e qu de la tem¡,é,atuie de tr�mp la temper cura y dPI medio de emple. 
e du rMrigétant Vanarión d,mension Id plancha\ coo ib<a hori­
V rlcJl om, dímensiannellts d pl3QUeS a fibn• zon•al du� me el temple en ace,: o a a· e. 
-::::--... - -..._ 
0,02 ,,.....�� 
-0,025 I 
-0,035 ' 
1 1 
.0,000 
-0.025 1 l 
1 
1 
l ____  
+0.025
+0.03
0.04 -...,.;___ __ +0.09 
0,13 
�---+0,15 
-� .64HRC 930'C .. 63 HRC 
- - • 970°C • 66 HAC - - - 970'C ... 64 HAC
• • -1010'C - • • 1010"C .• 62 OC
� 1, p14ndli � 150 �_lO_mm_ _____,  
Varialions dimeosionnell s des plaqu s a fibc s Va11aci6n dimensional d planchas con fí ra ver­
v rticales bs de la trempe � l'hu le t á f'air. tJcal durante e temple en aceile o al a1•e. 
-0,01 +0.02
.0,025 0.01 
0.005 
 
'!::::!!!!=�!!::::::�=�,._ +0,01 
IV11 
- 930'C . 64 HFIC 63HRC 
• - • g7()'C ... 65 HflC ••• 970'C •. 64 HRC 
_J 
1 
... 
80 
Gracia, a la temperatura dfl 1p,mple esul a posible 
lnflu nciar I au!.tPmta resicl.J I y con llo el 
aum nto � volumen. sin q la dureza drsminoya 
esencialmente. 
lnflu nce rlP la températ re de empe solla dJ  e· , 
la ten,,i r en ausl ni·e résiduell et I vanatio s 
a1mer1�ionnelles en sens honzoll!al. 
M1 eu de uempe: hu,le 
tprouvette: 010 x 100 mm long. 
(p,ise d'u1 plat de 20 mm d',paisse, 1 
+0,2 ---------------41 
Dep ndeoc1a de la dureza dfl contenido d a s· 
temta re\idualy de la variadó,1 longl:ud I y rans­
ve1sal de la temperatura te mpk'. 
MedlO de IPmplP: IKl'hl' 
Oimfmio �dela p,obeta 0 20 x 100 mm 
(�da de una plancha de acero d JO espesor 
e20 mm) 
> 
-0.2 --------------· 
B50 900 950 1000 1050 1100 
l tll -C 
Le r nu compo une vartatlon d1m 'lsionllfNe Al revenir se prenota nuevam nt, na va•iadoo d 
s'aJOU e ce sun nu lors df la tr mpe, medid.n, n comparación con el Pstado templado. 
V ri tion dim nsionnelles lors du Variación de medidas al revenir 
r venu apres la trempe despuiM del temple 
o 100 700 800 
,n·c 
!I 
1 
1 
00 
- --- - - -
en Compos1t1on Lh11mqut> (valeurs 1nd1cat1ves en'o ) 1 
(omµo�i(iQn �u11111cd (v�iore� aproli1rtkldos en '·o) 
C S, Mn : Cr N, W 
1,9 0, 19 0.32 1 l,84 0, 18 o.os
200 
1 1 
Ü Ou • nllV 00 _,_. 
2 . 100 Con� ituants, 000 1 -
0,33 180P r d, r fr • 1 semMt, .... - ·� 900 c.. .(! semen! de 800 a 500°( �"  Kr,,:;;  - ' 
,_ 
k.
SI 10 2 800 I=" . -
le (2K/mm
·-:-=- )i- ::'� � �.
-,- . ,- -- �� >--r- �2 Vi de lroidissemenl de ,_ se r en Kim1n --1- ¡, - -- l 11. \' 
00 A liOO"C K n800 1  f\• ,�-  
A+K 1 
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atJSll!l\lzaCIÓO' 950°( ' 
-,- ·- ' ,- ,. . i'/ \,-. ,._... ,  ,-- -,--pennanenoa· 30 ·n tos 300 -,- ,- - - - i 3�  
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Courbe d I dureté du ueur et de la Oep ndencia de la dureza d I nudeo y 
profondeur d rnp en fonctíon d d la p netración del temple en función
diametre de la pi ce d I diámetro de la pieza 
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Pro ondeur � tremgi¡ en mm 38 a, 
í'enetracióJi e !MlP e en mm ::, . 36 o 
2 3 "::> u,eino 20 "° t � UU 2 lO .l A 
Otametre de la p.éce en mm I Diámetro de la pieza n mm 
BÓHLER K100 
Recommandat ions pour l 'usinage (Etat recuit, valeurs approximatives) 
Tournage avec outils á mise rapportée en carbure métallique 
Profondeur de coupe, mm 0,5 á 1 1 á4 4 á 8 > 8
Avance, mm/rév 0,1 á 0,3 0,2 á 0,4 0,3 á 0,6 0,5 á 1,5 
Nuance BÓHLERIT SB10,SB20 SB10,SB20, EB10 SB30, EB20 SB30,SB40 
Nuance ISO P10.P20 PÍO. P20, M10 P30, M20 P30, P40 
Vitesse de coupe, m/min 
Plaquettes amovibles 
Durée de vie 15 min 210 á150 160 á 110 110 á 80 70 á 45 
Outils á mise rapportée en carbure métallique brasés 
Durée de vie 30 min 150 á110 135 á 85 90 á 60 70 á 35 
Plaquettes amovibles revétues 
Durée de vie 15 min 
BÓHLERIT ROYAL121 á 210 á 180 á 130 á80 
BÓHLERIT ROYAL131 á 140 á 140 á 100 á60 
Angles de coupe pour outils á mise rapportée en 
carbure métallique brasés 
Angle de dépouille 6 á 12° 6 á 12° 6 á 12° 6 á 1 2 ° 
Angle de coupe orthogonal de l'outil 6 á 8 ° 6 á 8 ° 6 á 8 ° 6 á 8 ° 
o 
Angle d'inclinaison 0 minus 4 o minus 4 o minus 4o
¡ ' 1
Tournage avec outils en acier rapidé 
Profondeur de coupe, mm 0,5 3 6 
Avance, mm/rév. 0,1 0,4 0,8 
Nuance BÓHLER/DIN S700 / DIN S10-4-3-10 
Vitesse de coupe, m/min 
Durée de vie 60 min 30 ¿20 20 á 15 18 á 10 
Angle de dépouille 14° 14° 14° 
Angle de coupe oithogonal de l'outil 8 o 8 o 8 o 
Angle d'inclinaison minus 4 o minus 4 o minus 4 o 
Fraisage avec fraises á lames rapportées 
Avance, mm/dent á 0,2 0,2 á 0,4 
Vitesse de coupe, m/min 
BÓHLERIT SBF/ ISO P25 150á100 110 á 60 
BÓHLERIT SB40/ ISO P40 100 á 60 70 á 40 
BÓHLERIT ROYAL 131 / ISO P35 130 á 85 130 ¿85 
Alésage avec outils á mise rapportée er \ carbure métallique 
Diamétre de foret, mm 3 ¿ 8 8 ¿20 20 ¿40 
Avance, mm/rév 0,02 á 0,05 0,05 ¿0,12 0,12 ¿0,18 
Nuance BÓHLERIT / ISO HB10/K10 HB10/K10 HB10/K10 
Vitesse de coupe, m/min 
50 a 35 50 ¿35 50 ¿35 
Angle de pointe 115a 120° 115 á 120° 115 á 120° 
o 
Angle de dépouille 5 o 5 o 5
13 
BÓHLER K 1 0 0 
Recomendaciones para la mecanización (Estado de tratamiento térmico: recocido blando, valores aproximados) 
| Tornear con metal duro 
Profundidad de corte, mm 0,5 hasta 1 1 hasta 4 4 hasta 8 > 8
Avance, mm/r. 0,1 hasta 0,3 0,2 hasta 0,4 0,3 hasta 0,6 0,5 hasta 1,5 
Calidad de metal duroBÓHLERIT SB10, SB20 SB10, SB20, EB10 SB30, EB20 SB30,SB40 
Calidad 150 PÍO, P20 PÍO, P20, M10 P30, M20 P30, P40 
Velocidad de corte m/min 
Plaquitas de corte recambiables 
Duración 15min 210 hasta 150 160 hasta 110 110 hasta 80 70 hasta 45 
Herramientas de metal duro soldadas 
Duración 30 min 150 hasta 110 135 hasta 85 90 hasta 60 70 hasta 35 
Plaquitas de corte recambiables con revestimiento 
Duración 15 min 
BÓHLERIT ROY AL 121 hasta 210 hasta 180 hasta 130 hasta 80 
BÓHLERIT ROYAL 131 hasta 140 hasta 140 hasta 100 hasta 60 
Ángulo de corte para herramientas 
de metal duro soldadas 
Ángulo de ataque 6 hasta 12° 6 hasta 12° 6 hasta 12° 6 hasta 12° 
Ángulo de libre 6 hasta 8o 6 hasta 8o 6 hasta 8o 6 hasta 8o 
Ángulo de inclinación 0 o menos 4 o menos 4 o menos 4 o
I Tornear con acero rápido 
Profundidad de corte, mm 0,5 3 6 
Avance, mm/r. 0,1 0,4 0,8 
Calidad BOHLER/DIN S700/DIN SI0-4-3-10 
Velocidad de corte m/min 
Duración 60 min 30 hasta 20 20 hasta 15 18 hasta 10 
Ángulo de ataque 14° 14° 14° 
Ángulo de libre 8 o £ ° 8
o 
Ángulo de inclinación menos 4 o menos 4 o menos 4 o
* ' I 5
Fresar con cabezales de cuchillas
Avance, mm/diente hasta 0,2 0,2 hasta 0,4 
Velocidad de corte m/min 
BÓHLERIT SBF/ ISO P25 150 hasta 100 110 hasta 60 
BÓHLERIT SB40/ ISO P40 100 hasta 60 70 hasta 40 
BÓHLERIT ROYAL 131/ISO P35 130 hasta 85 130 hasta 85 
Mandrinar con metal duro 
Diámetro del taladro, mm 3 hasta 8 8 hasta 20 20 hasta 40 
Avance, mm/r. 0,02 hasta 0,05 0,05 hasta 0,12 0,12 hasta 0,18 
Calidad de metal duro BÓHLERIT / ISO HB10/K10 HB10/K10 HB10/K10 
Velocidad de corte m/min 
50 hasta 35 50 hasta 35 50 hasta 35 
Ángulo de punta 115 hasta 120° 115 hasta 120° 115 hasta 120° 
Ángulo de despullo 5 o 5 o 5 o 
BÓHLER K100 
Propriétés physiques Propiedades f ís icas 
Densité á / 
Densidad a 20°C 7,70 kg/dm3
Conductivité thermique á / 
Conductibilidad térmica a 20°C 20,0 WV(m.K)
Chaleur spécifique á / 
Calor especifico a 20°C 460 J/(kg.K)
Résistivité á / 
Resistencia eléctrica especifica a 20°C 0,65 Ohm.mm2/m
Module d' élasticité á / 
Módulo de elasticidad a 20°C 210 x 1 0 3 ...N/mm2
: , 1 0 6 m / ^ n K ) 
Dilatation thermique, entre 2 0 ° C e t . . . ° ( 10 6 m/(mlj:) . ii i i 
Dilatación térmica, entre 20 °C y . . . °C , 
100°C 200°C 300°C 400°C 500°C 600°C 
10,5 11,0 11,0 11.5 12,0 12,0 
Pour toute information spécifique concernant Para aplicaciones o pasos de proceso que no 
l'utilisation, la mise en ceuvre, les applications aparezcan mencionados de forma explícita en esta 
possibles nous consulter. descripción del producto, rogamos al cuente se 
ponga en contacto con nosotros para consultar 
sobre su caso individual. 
15 
MARIAZlLL R STRASSE 25 
POSTFAC 96 
A 8(05 KAPfl BERG/AUSTRIA 
TELEFON: ( 43) 3862/20,7181 
THEFAX: ( 3) 8 "J./20·757b 
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100 FSp- 02 2010- E