Selección de acero para moldes de fundición a presión: grados, tratamiento térmico y coste por disparo

El acero para moldes es el ítem que parece una pequeña parte del coste de la herramienta y se comporta como una gran parte del coste de la pieza. Un molde construido con el grado incorrecto seguirá produciendo buenas piezas durante las primeras 20.000 disparos, y luego empezará a mostrar líneas de comprobación de calor en cada cara estética, a pegarse en las costillas profundas y a desviarse en las dimensiones que mide su cliente. Para cuando eso aparece, el molde ya está amortizado y el programa está en marcha, lo cual es exactamente el momento equivocado para descubrir que un aumento del 12 por ciento en el coste del acero habría comprado un aumento del 40 por ciento en la vida útil del molde.

Esta artículo es una guía práctica de selección: los grados que importan en la fundición a presión de aluminio, las ventanas de tratamiento térmico que acompañan a cada uno, la compensación entre dureza y conductividad que impulsa la mayoría de las decisiones, tratamientos superficiales y cuándo aportan valor, inserciones frente a construcción sólida, y cómo todo ello se traduce en coste por disparo.

Qué realmente mata a un molde de fundición a presión

Antes de elegir el acero, nombra el modo de fallo contra el que estás diseñando, porque no existe un grado que optimice todos ellos.

• Comprobación de calor (fatiga térmica): el modo de fallo dominante. La superficie del molde cicla desde aproximadamente 180 a 250 °C hasta 450 a 550 °C y vuelve, en cada disparo, de 40 a 60 veces por hora. La capa superficial cede en compresión en la temperatura máxima y pasa a tensión al enfriarse. Las redes de grietas comienzan entre 3.000 y 15.000 disparos en un molde duro y se vuelven visibles en la pieza mucho antes de que el molde esté funcionalmente muerto.
• Erosión y lavado: metal de alta velocidad en la entrada. Las velocidades en la entrada en la fundición a presión convencional oscilan entre 30 y 60 m/s; a 50 m/s con un grosor de entrada de 2 mm, la corriente impactante elimina material mecánica y químicamente. Las áreas de entrada y los núcleos directamente en el flujo son donde se observa.
• Soldadura y adherencia: el aluminio ataca químicamente al hierro. Cuando la superficie del molde carece de lubricante o se calienta demasiado, el aluminio se funde con el acero y arranca material al expulsar la pieza. Las costillas profundas, los núcleos delgados y las áreas con mala cobertura de pulverización son los sitios habituales.
• Grietas graves: generalmente un problema de tratamiento térmico o de diseño en lugar de un problema de grado — temple insuficiente, dureza demasiado alta, esquinas internas afiladas o un núcleo que no puede expandirse.
• Corrosión y oxidación en almacenamiento: subestimadas y costosas. Un molde almacenado húmedo desarrolla picaduras de óxido que se convierten en sitios de inicio de comprobación de calor en la siguiente campaña.

Comparación de grados

Algunas notas sobre la lectura de esa tabla. Los números de dureza son la dureza de trabajo después del temple, no la templada en caliente. Las cifras de conductividad varían según la fuente y la temperatura; lo que importa es la clasificación. “Costo relativo del material” es solo el costo de compra del acero — en un dado típico, el acero representa del 20 al 35 por ciento del precio total del dado, por lo que duplicar el costo del acero aumenta el precio del dado en aproximadamente un 20 a 30 por ciento, no en un 100 por ciento.

H13: La predeterminada, con una advertencia

H13 (1.2344, AISI H13, aproximadamente 0.38 C, 5.2 Cr, 1.3 Mo, 1.0 V) es el caballo de batalla. Se templada a 44 a 48 HRC con buena resistencia al calor y dureza adecuada. La advertencia es que “H13” en una orden de compra significa muy poco sin especificar la ruta de fundición. El H13 convencional tiene una estructura bandada y una población de inclusiones no metálicas que son los sitios de inicio para grietas por calor y fracturas graves. El H13 premium producido por remoldeo por electroslag (ESR) o remoldeo por arco al vacío (VAR) tiene un contenido de inclusiones significativamente menor y una estructura más homogénea, y ofrece consistentemente de dos a tres veces más vida útil frente a grietas por calor en servicio.

Especificarlo explícitamente: H13 ESR premium, según la Asociación de Fundición de Piezas de España (AFPE) #207 o equivalente, con una certificación que muestre la clasificación de microestructura y la dureza recocida. En un molde que realizará 150,000 disparos en una pieza cosmética, esta es la especificación de mayor retorno en todo el paquete.

H11: Cuando la resistencia a la tenacidad es lo que gobierna

H11 (1.2343) tiene menor vanadio y ligeramente menor dureza en caliente que H13, pero mayor tenacidad. Úselo donde el riesgo sea de grietas graves en lugar de grietas por calor: núcleos delgados grandes, moldes con cambios de sección pesados y cualquier molde que ya haya fracturado una vez en un lugar donde no se puede cambiar el diseño.

Aleaciones de alta conductividad

Estas son las interesantes para trabajos de paredes delgadas. El mecanismo es sencillo: la grieta por calor es impulsada por el cambio de temperatura en la superficie, y un acero que retira el calor más rápido reduce la temperatura máxima en la superficie para una temperatura y ciclo metálicos dados. Las calidades de trabajo en caliente con contenido de cobre típicas alcanzan de 45 a 60 W/m·K a 400 °C frente a 27 para H13.

La desventaja es que son más blandas, típicamente 38 a 42 HRC, por lo que tienen menos resistencia a la erosión en la entrada y menos resistencia a daños mecánicos. La aplicación correcta no es todo el molde; es una inserción local:

• Costillas y protuberancias de paredes delgadas que se calientan y se quedan pegadas.
• Núcleos rodeados de metal por todos lados que no tienen ruta de línea de enfriamiento.
• Áreas donde el tiempo de ciclo está limitado por la solidificación local en lugar de por la sección más gruesa.

Hemos visto reducciones del 20 al 30 por ciento en el tiempo de ciclo con una sola inserción de alta conductividad en un bolsillo profundo, lo cual en un ciclo de 45 segundos vale más que todo el costo de la inserción en unas pocas semanas.

Acero maraging para pequeñas inserciones

El acero maraging 18Ni (grado 300 o 350) se envejece a 480 a 500 °C para alcanzar 50 a 54 HRC con casi ninguna distorsión y una tenacidad excepcional. Se usa para pequeñas inserciones, deslizadores, pasadores de expulsión y placas de desgaste, y para cualquier componente pequeño donde una grieta por calor sería una catástrofe en la herramienta. No es un material para cavidades de moldes de aluminio, porque pierde resistencia por encima de aproximadamente 500 °C y su conductividad es pobre.

Tratamiento térmico: Las ventanas que importan

El grado de acero y el tratamiento térmico son una decisión. Un H13 ESR premium que se austenitiza demasiado caliente o se templada demasiado ligeramente tendrá un rendimiento peor que un H13 estándar tratado correctamente.

• Recocido después del mecanizado en bruto: Alivio de tensiones a 650 a 680 °C, mantener 2 horas por cada 25 mm de sección, enfriar en horno. Omitir esto es una causa común de distorsión en el tratamiento térmico.
• Austenitización: De 1,020 a 1,050 °C para H13. Superar los 1,060 °C aumenta el tamaño del grano de austenita, lo que reduce notablemente la tenacidad y acelera las grietas por calor. El horno de vacío con un enfriamiento por gas de 4 a 6 bar es estándar; procurar una velocidad de enfriamiento a través de 850 a 500 °C lo suficientemente rápida para evitar la precipitación de carburos en los límites de grano.
• Apaga: no enfríes hasta la temperatura ambiente. Enfriamiento interrumpido a 150 a 250 °C, luego igualar y templar inmediatamente. Mantener un bloque de H13 sin templar a temperatura ambiente es la forma en que las matrices se agrietan antes de ser colocadas en una máquina.
• Templado: mínimo dos templados, generalmente tres, a 560 a 620 °C dependiendo de la dureza objetivo. Cada mantenimiento de templado es un mínimo de 2 horas a la temperatura, y la pieza debe enfriarse por debajo de 60 °C entre templados para completar la transformación de austenita retenida.

Una regla que vale la pena decir claramente: superar los 50 HRC en una cavidad de matriz H13 es casi siempre un error. El beneficio a corto plazo es una mejor resistencia a la erosión en la entrada. El costo es una caída pronunciada en la resistencia a la fatiga térmica, y la matriz comienza a mostrar marcas de calor en el rango de 10,000 a 20,000 disparos en lugar del rango de 60,000 a 100,000.

La compensación entre conductividad y dureza

Esta es la decisión central de ingeniería, y vale la pena expresarla en términos físicos en lugar de como una regla general.

La vida de verificación de calor está gobernada por el rango de deformación que la superficie experimenta en cada ciclo. Ese rango de deformación es proporcional a la oscilación de temperatura, al coeficiente de expansión térmica y a la restricción, e inversamente proporcional a la resistencia a la fluencia a temperatura. La dureza y la resistencia a la fluencia en caliente resisten la iniciación de grietas; la conductividad reduce la oscilación de temperatura que impulsa el ciclo en primer lugar.

• Alta dureza gana donde la carga es mecánica: impacto en la compuerta, desgaste por deslizamiento en núcleos y deslizadores, contacto de eyección y cualquier lugar donde el dado se desgaste físicamente.
• Alta conductividad gana donde la carga es térmica: secciones delgadas, puntos calientes y cualquier lugar donde la temperatura superficial supere aproximadamente los 520 °C.
• Tenacidad gana donde la carga es estructural: núcleos delgados, transiciones agudas en la sección y dados que ya han agrietado antes.

La mayoría de los dados no son homogéneos, y no deberían serlo. La respuesta correcta suele ser un cuerpo de cavidad H13 ESR con 46 HRC, con insertos de alta conductividad en los dos puntos calientes y un insert de maraging o nitrurado en la compuerta. Eso es más caro de construir y considerablemente más barato de operar.

Tratamientos superficiales

Precauciones prácticas, aprendidas a la fuerza:

• Una capa nitrurada más gruesa que aproximadamente 0,25 mm en una cara de cavidad se convierte en un acelerador de grietas por calor. La capa compuesta es frágil y se agrieta, y las grietas se propagan directamente en el acero base. Especifique una capa compuesta delgada y controlada y solicite el grosor de la capa blanca en la certificación.
• La nitruración aumenta la dureza superficial efectiva, pero no cambia el volumen. No salvará un molde que sea demasiado blando en el núcleo.
• Los recubrimientos PVD fallan en bordes afilados y en ciclos térmicos de alta amplitud. No recubra una esquina afilada y espere que dure; primero ponga un radio de 0,3 a 0,5 mm.
• Los tratamientos superficiales deben ser reaplicados. Una cavidad nitrurada que ha sido reparada dos veces para eliminar grietas por calor ha perdido su capa superficial. Presupueste una nueva aplicación en cada mantenimiento mayor, o acepte que el tratamiento solo beneficia la primera campaña.
• El óxido es el enemigo durante el almacenamiento. Después de cualquier limpieza a base de agua, seque el molde, aplique un preventivo de óxido y guárdelo con los canales de enfriamiento despejados.

La elección del tratamiento superficial interactúa con el requisito estético de la pieza. Un molde que produce grietas por calor en la cara de clase A genera piezas con un patrón de grietas replicantes, y ninguna cantidad de pulido posterior lo elimina sin cambiar la geometría de la pieza. Si su pieza es estética, el guía de diseño de moldes de fundición de aluminio las consideraciones sobre la ubicación de la compuerta y el equilibrio térmico deben resolverse antes de comenzar a elegir un recubrimiento.

Construcción de inserto versus sólida

Las cavidades sólidas son más sencillas, rígidas y económicas de construir para moldes pequeños. Los insertos cuestan más en acero, mecanizado y ajuste, pero ofrecen cuatro ventajas:

• Selección localizada de material. Acero de alta conductividad solo donde se necesita, acero resistente al desgaste solo en la compuerta, acero duro solo en el núcleo delgado.
• Reemplazabilidad. Un inserto con grietas por calor se reemplaza en un día; una cavidad sólida con grietas por calor requiere un nuevo bloque de molde y semanas de tiempo de entrega.
• Acceso para mantenimiento. Los insertos pueden ser removidos, reparados, nitrurados nuevamente y reinstalados sin sacar el molde del marco.
• Ventilación. Las líneas de separación de inserción son rutas de ventilación natural cuando se diseñan correctamente, lo que reduce la porosidad con la que de otro modo lucharías con el vacío.

El costo de los insertos es el ajuste. Cada inserto añade una superficie de ajuste que debe ser rectificada, y cada espacio es un sitio de rebaba. Recomendamos los insertos cuando el molde tenga aproximadamente más de 400 x 400 mm, cuando la vida útil prevista supere las 80.000 disparos, o cuando haya un desgaste conocido o un punto caliente. Por debajo de eso, generalmente es adecuado el sólido.

Cómo la elección del acero influye en el costo por disparo

Aquí está el cálculo que debería guiar la decisión, aplicado a un programa de 62.000 disparos al año en una carcasa cosmética de tamaño medio.

El molde premium cuesta 14,000 USD más en construir y ahorra 232,000 USD en más de 300,000 disparos, y el término dominante no es la herramienta — es la chatarra cosmética causada por la transferencia de inspección térmica a la cara de clase A. Esa es la cifra que la mayoría de los compradores nunca calcula, porque la chatarra aparece en el departamento de acabado y la decisión de la herramienta se tomó en el departamento de compras.

Otra forma de expresarlo: el costo por disparo solo por las herramientas, en más de 300,000 disparos, es de 0,34 USD para el molde estándar y 0,30 USD para el molde premium. Sumando la diferencia de chatarra, el costo real por disparo es de 1,77 USD frente a 0,99 USD.

Qué escribir en la especificación del molde

Incluya estas líneas en la orden de compra, no en un correo electrónico:

• Grado y ruta de fundición: H13 ESR premium según NADCA #207 o equivalente, con certificación de microestructura.
• Rango de dureza objetivo y número de temple.
• Límite superior de temperatura de austenizado, y una prohibición de ciclos de temple único.
• Especificación de nitruración incluyendo el espesor de capa compuesta (blanca), o una prohibición explícita de nitruración en las caras de cavidad.“
• Insertando material y dureza para cada punto caliente o ubicación de desgaste identificada.
• Procedimiento de reparación por soldadura para el molde, incluyendo precalentamiento y temple posterior a la soldadura. Un molde soldado sin precalentamiento y re-templado posteriormente es un molde que se agrieta en la reparación.
• Intervalo de mantenimiento y criterio de aceptación para la profundidad de la inspección térmica en la que se reparará la cavidad (0.15 mm es un umbral común en moldes cosméticos).

Si también especifica el intervalo de inspección y el criterio para el fin de vida antes de que se construya el molde, convierte la herramienta de una inversión de capital en un plan de mantenimiento.

Donde la línea de acabado marca la diferencia

La firma aguas abajo de un problema de acero de molde es muy específica. Es un defecto cosmético que aparece gradualmente, empeora durante el turno a medida que el molde se calienta y mejora después de enfriar o reparar el molde. Las líneas de flujo y la transferencia de comprobación térmica en la cara de clase A, marcas de adherencia en costillas profundas y testigos de línea de separación que crecen con el número de disparos son condiciones de la superficie del molde, no condiciones de pulido.

Esto importa porque la reacción habitual es añadir pulido. Eso funciona por un tiempo, y luego deja de funcionar, y para entonces el paso de pulido ha absorbido el costo de una decisión de herramienta. La mejor respuesta es detectar la deriva temprano, lo cual es un argumento a favor del acabado automatizado: una célula robótica controlada por fuerza elimina una cantidad constante de material mediante un recorrido y presión programados, por lo que cuando la superficie de la fundición entrante cambia, el resultado final también cambia de manera medible en lugar de ser absorbido por un operador que presiona más fuerte sin darse cuenta.

Si desea entender cómo el requisito cosmético se propaga desde el molde hasta la célula de acabado, la normas de acabado de superficies de fundición a presión discusión de muestras límite y objetivos de rugosidad es la compañera natural de este artículo, y la guía de troqueles de fundición a presión de aluminio cubre la estructura de costos de las herramientas con más profundidad.

DZ Machinery diseña células robóticas de desbarbado, rectificado y pulido para fundición a presión y herrajes de grifería, y especificamos el proceso de acabado en función de la condición real de la fundición entrante en lugar de un dibujo nominal. Si está planificando un nuevo programa cosmético y desea que la vida del molde, la tasa de desecho y el costo de acabado se consideren juntos, envíenos los dibujos de las piezas y su volumen anual, y nuestro equipo de ingeniería trabajará con usted en el modelo de costo por disparo.