Resistencia a la corrosión

Resistencia al desgaste

0

2

4

6

8

10

M-2 P-20 D-2

ESTUDIO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y METALURGIA FÍSICA

DE ACEROS GRADO HERRAMIENTA APLICADOS A

MANUFACTURA Y REPARACIÓN DE MOLDES DE INYECCIÓN

RESUMEN:

Actualmente México importa aproximadamente 6 mil millones de dólares anuales en moldes, troqueles y herramentales (MTH). Múltiples sectores industriales deben fortalecerse a través de

la generación de conocimiento que permita el entendimiento de los fenómenos físicos presentes durante la manufactura, reparación y operación de MTH. El procesamiento a través de

tratamientos térmicos constituye un elemento fundamental en el perfeccionamiento y modificación de propiedades en componentes, dando lugar a rendimientos óptimos. Durante la

reparación y operación de MTH se presentan múltiples esfuerzos termo-mecánicos localizados que originan modificaciones microestructurales y transformaciones físicas, y consecuentemente

provocan fracturas, baja resistencia al desgaste e inestabilidad termodinámica. En este trabajo se estudiaron las propiedades mecánicas, estructurales y microestructurales de aceros grado

herramienta aplicados a MTH como función de dos tratamientos térmicos con variación de parámetros: Tiempos de permanencia de 1) 15 min y 2) 150 min con temperatura de austenitización

de 940 °C y posterior enfriamiento en agua para ambos ciclos. Las muestras fueron caracterizadas mediante difracción de rayos x (XRD), microscopia electrónica de barrido (SEM), análisis

de energía dispersiva de rayos x (EDXRF) y microdureza Vickers, respectivamente. Con el tratamiento térmico 1 se logró un aumento en la dureza de aproximadamente de 250 HV para el

acero M-2 y 550 HV para el acero D-2, mientras que el acero P-20 no presentó un cambio notable. Con el tratamiento 2 se identificó un aumento de aproximadamente 300 HV en el acero D-

2, así mismo se presento una reducción en la dureza de aproximadamente 100 HV y 50 HV para los acero M-2 y P20 respectivamente. En la matriz del acero M-2 se percibió un

enriquecimiento de Cr, Mo y V . Se identifico que los aceros M-2 contienen tres tipos de carburos ricos en W, V y Fe, en los cuales el Cr presentó un comportamiento constante, mientras que

en el acero D-2 se identificaron precipitados de V y Fe.

• Se estudió la distribución de los elementos de aleación en matriz y precipitados de aceros grado herramienta en función del tratamiento térmico.• En los aceros para herramientas D-2, M-2 yP20 se realizaron tratamientos térmicos isotérmicos con enfriamiento agua. • El acero D-2 presentó un aumento en su microdureza con los tratamientos térmicos aplicados. • El acero M-2presento un aumento de microdureza con el tratamiento térmico aplicado de 15 minutos y una disminución de microdureza con el tratamiento térmico aplicado de 150 minutos . • El acero P-20presentó una disminución de dureza para ambos tratamientos térmicos aplicados.

Conclusiones

Motivación

Resultados y discusión

R. A. González-Ramíreza, L. A. Cáceres-Díazb,*, R. Perez-Bustamanteb, D.G. Espinosa Arbeláezc, J.M. Alvarado-Orozcoc

0 50 100 150 200 250 300

0

200

400

600

800

1000

1200

Water quenched

150 min @ 940 °C

15 min @ 940 °C

Suggested heat treatment

Temperature on sampleTem

pera

ture

(°C

)

Heat treatment time (min)

Austenitizing temperature: 940 - 970 °C

Procedimiento experimental

Tratamiento térmico a 940 °C,

PO2: 0.2 atm O2

Difractómetro de Rayos X,

marca Rigaku.

Microscopio electrónico de

barrido de emisión de campo,

marca Jeol.

Equipo de Ensayo de Rayado,

marca Anton Para.

[1] A. M. d. C. y. P. d. S. p. l. Industria, Estudio de diagnóstico para la identificación de las capacidades productivas y de manufactura de MTH en México, Secretaría de Economía, 2017.

[2] R. A. Mesquita, Tools steels, Properties and Performance, Boca Ratón: Taylor & Francis Group, 2017.

[3] Rosato, Dominick V., Donald V. Rosato, and Marlene G. Rosato. Injection molding handbook. Boston: Kluwer Academic Publishers, 2000. Print.

[4] H. Wang, L. Jing, S. Cheng-Bin , L. Ji y H. Bao, «Evolution of Carbides in H13 Steel in Heat Treatment Process,» Materials Transactions, vol. 58, nº 2, p. 152 to 156, 2017.

“Agradecimientos al programa Cátedras CONACyT proyecto 674, al taller de MTH de CIATEQ S. L. P. y al taller de CIDESI, por el apoyo, material, equipo y recurso humano para poder llevar a cabo este trabajo”.

Referencias y agradecimientos

Horno marca Briteg.

Preparación metalográfica y caracterización

• Difracción de Rayos X (XRD)

• Fluorescencia de Rayos X por Energía Dispersiva

(EDXRF)

• Microscopía electronica de barrido (SEM)

• Microdureza Vickers (HV)

3

7

7

1

8

8

3

15

16

5

30

4

3

Aguascalientes

Cd. de México

Coahuila

Durango

Edo. de México

Guanajuato

Hidalgo

Jalisco

Nuevo León

Puebla

Querétaro

San Luis Potosí

Tlaxcala

0 5 10 15 20 25 30

Número de empresas

A

a) Matriz de fundición a presión yuna pieza de aluminio producida.

b) Cavidades mecanizadas paraparachoques de automóviles. [2]

a)

b)

Número de empresas productoras de herramentalesen múltiples estados de México. [1]

Acero Grado

Composición común

C Mn Si Cr Mo W V

M-2 0.90 0.30 0.30 4.10 5.00 6.40 1.90

D-2 1.55 0.35 0.30 12.00 0.75 1.00 -

P-20 0.40 1.50 - 1.90 0.20 - -

H-13 0.40 - 1.00 5.30 1.40 - 1.00

(a) Tratamiento térmico realizado por la acería,durante la producción de los aceros paraherramientas. (b) Tratamiento térmico final,generalmente realizado después de que lasempresas de tratamiento térmico hayanmecanizado las herramientas. L, líquido; A,austenita; C, carburos; F, ferrita, Ms,temperatura de inicio de martensita. [2]

aInstituto Tecnológico de San Luis Potosí, Ponciano Arriaga, Soledad de Graciano Sánchez., S.L.P., 78437, México.

bCONACYT - CIATEQ A.C. Centro de Tecnología Avanzada, Eje 126 No.225, Industrial San Luis, San Luis Potosí, 78395, México.

cCentro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI), Av. Playa Pie de la Cuesta No.702, Desarrollo San Pablo, Santiago de Querétaro, 76125, Qro.

*e-mail: luis.caceres@ciateq.mx

Se identificó una relación entre el tiempo de permanencia a temperatura de austenitización con la dureza, lo cual está asociado con la disolución de carburos aleados a tiempos depermanencia mayores. Además, una fracción mayor de carburos disueltos resulta en una matriz austenítica enriquecida de elementos de aleación, lo que puede dar lugar a un aumento dedureza. Sin embargo, pese al aumento de dureza, la matriz enriquecida de elementos de aleación presenta un valor menor a los precipitados presentes en la aleación.

10 μm 10 μm 25 μm

10 μm 5 μm 25 μm

25 μm 5 μm 25 μm

Composición químico común paradiferentes aceros grado herramienta. [3]

Propiedades mecánicas dediferentes aceros gradoherramienta. [3]

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) de las muestras previo y posterior al tratamiento térmico.

Gráficas de composición en función de matriz y precipitados, para los puntos ubicados en las microscopías electrónicas de barrido

Microdureza de las muestras enfunción del tratamiento térmico. Patrones de Difracción de Rayos X de los

aceros estudiados.

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 M2

274 min HT

970 °C

150 min

940 °C

15 min

940 °C

P20 H13 D2

Dure

za V

ickers

(H

V)

Tratamiento térmico

Temperatura de austenitización 940 - 970 °C

Referencia

A B C D E F G H I --

0

20

40

60

80

100

Fe

Mo

V

Cr

W

Medida

Co

nte

nid

o F

e, M

o, V

(%

at.)

0

5

10

15

20M2 Referencia

Co

nte

nid

o C

r, W

(%

at.)

A B C D E F G H

0

20

40

60

80

100

Fe

Mo

V

Cr

W

Medida

Co

nte

nid

o F

e, M

o, V

(%

at.)

0

5

10

15

20

25M2 15 min

Co

nte

nid

o C

r, W

(%

at.)

A B C D E F

0

20

40

60

80

100

Fe

Mo

V

Cr

W

Medida

Co

nte

nid

o F

e, M

o, V

(%

at.)

-5

0

5

10

15

20M2 150 min

Co

nte

nid

o C

r, W

(%

at.)

A_Ref

B_Ref

C_Ref

D_RefA_15

B_15C_15

D_15

A_150

B_150

C_150

D_150

0

20

40

60

80

100

Fe

Cr

Mo

Medida

Co

nte

nid

o F

e (

% a

t.)

0

1

2

3

4

5

Co

nte

nid

o C

r, M

o (

% a

t.)

P20 Matriz

Ref_A Ref_B 15_A 15_B 150_A 150_B

0

20

40

60

80

100

Fe

Cr

Mo

V

Medida

Co

nte

nid

o F

e, C

r (%

at.)

0

1

2

Co

nte

nid

o M

o, V

(%

at.)

D2 Matriz

C_RefD_Ref

C_15D_15

E_15F_15

C_150D_150

E_150F_150

0

20

40

60

80

100

Fe

Cr

Mo

V

Medida

Co

nte

nid

o F

e, C

r (%

at.)

D2 Precipitados

0.0

2.5

5.0

Co

nte

nid

o M

o, V

(%

at.)

Matriz Matriz Matriz PrecipitadosPrecipitadosPrecipitados

Gráficas de composición de matriz y precipitados en función del tratamientotérmico