bCONACYT - CIATEQ A.C. Centro de Tecnología Avanzada ......de 940 C y posterior enfriamiento en...
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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: [email protected]
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
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Fe
Cr
Mo
Medida
Co
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nid
o F
e (
% a
t.)
0
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4
5
Co
nte
nid
o C
r, M
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% 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
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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
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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