Uddeholm Tooling de Hagfors desarrolló nueva generación de acero inoxidable para moldes

Artículo presentado por SPE en la conferencia ANTEC 2003.

El moldeo de resinas químicamente agresivas puede reducir en gran cuantía la vida útil de servicio de las herramientas usadas en la industria del plástico. Muchas resinas tienen tendencia a formar subproductos corrosivos o contienen aditivos que reaccionan con la superficie del molde. Incluso cuando se usan resinas menos agresivas, las herramientas son susceptibles a la degradación durante el almacenamiento o mientras se operan en condiciones húmedas.

Uno de los aceros resistentes a la corrosión para moldes más usados es el inoxidable AISI-420 (acero al 13%Cr; estándar europeo W.Nr.1.2083). Sin embargo, este material a menudo se restringe sólo para geometrías pequeñas o relativamente simples debido a su limitada tenacidad e inhabilidad para alcanzar una microestructura uniforme en el centro de secciones transversales de gran tamaño.

Con el fin de obtener las mejores propiedades de un acero para moldes (particularmente un inoxidable 420), es esencial templarlo rápidamente desde su temperatura de endurecimiento durante el proceso de tratamiento térmico. Esto es necesario para alcanzar un alto nivel de dureza y formar una microestructura uniforme en el interior de la pieza (es decir, una microestructura martensítica y en la que el cromo permanezca disuelto en solución sólida).

La profundidad de la dureza (de la superficie al interior) y la habilidad de formar una microestructura martensítica en el centro del molde, es conocida como la "capacidad de endurecimiento" del acero.

Cuando se van a construir moldes relativamente grandes el proceso de tratamiento térmico es todo un reto. Las herramientas grandes hechas de aceros inoxidables tradicionales del tipo 420 pueden no ser templadas lo suficientemente rápido como para asegurar una microestructura constante o un nivel consistente de dureza a través de su sección transversal. Es decir, el material tiene una capacidad de endurecimiento limitada y la microestructura resultante puede llevar a una falla de la herramienta durante el tiempo de servicio.

Si se usa una tasa de enfriamiento insuficiente durante el proceso del tratamiento térmico, el cromo será expulsado de la matriz del acero por la precipitación de carburos de cromo en las fronteras del grano. Tasas de enfriamiento lentas también resultarán en la formación de constituyentes no martensíticos dentro del acero; por ejemplo, es probable que se forme perlita suave, o un gran porcentaje de bainita, dando como resultado propiedades de dureza baja y pobre tenacidad.

Los esfuerzos residuales remanentes del tratamiento térmico también deben ser considerados, en particular cuando se trata con moldes de gran tamaño. Para reducir el riesgo de agrietamiento por la acumulación de esfuerzos residuales, a menudo es necesario reducir el nivel de dureza de un inserto desde 50-52 HRC hasta 40-42 HRC usando un revenido de alta temperatura. Esto ayuda a reducir los niveles de esfuerzos residuales en el acero pero reduce también la resistencia a la corrosión del molde debido a la precipitación de los carburos de cromo que ocurre en un rango de temperatura entre 500 y 550 ºC (930-1020 ºF). La matriz de acero que rodea estos precipitados perderá el cromo, dejando estas áreas susceptibles al ataque corrosivo.

En resumen, los problemas y retos asociados con el tratamiento térmico de un acero inoxidable de tipo 420 (particularmente en grandes tamaños) han restringido su uso. Una de las razones principales es que los grandes insertos contendrán líneas de enfriamiento cerca de su centro. Si la microestructura dentro de estas áreas es susceptible al ataque corrosivo, la posibilidad de agrietamiento por esfuerzo y corrosión que se desarrolla dentro de la línea de agua de enfriamiento por lo general es demasiado grande.

Además, cuando el diseño de un molde debe incorporar una geometría compleja (como esquinas agudas o transiciones de paredes gruesas a delgadas), se debe usar un acero para moldes que posea mayores niveles de tenacidad y por lo tanto, una mayor resistencia al agrietamiento.

Procedimientos Experimentales
Las limitaciones de los aceros inoxidables tipo 420 para moldes se han discutido previamente en detalle. Existe la necesidad de superar su pobre tenacidad y las dificultades encontradas durante el tratamiento térmico. Este reto ha sido asumido con la introducción de un nuevo tipo de acero inoxidable para moldes. La composición química de este material especial, Stavax Supreme esta comparada en la  tabla 1 con la del tipo inoxidable 420 usado comúnmente (W.Nr.1.2083). La diferencia notable en la composición química ha resultado en mejoras significativas con respecto a las propiedades mecánicas y físicas.

Fue realizada una comparación de la ductilidad y la resistencia a la corrosión entre el Stavax Supreme y el tipo 420 de acero inoxidable para moldes. Se seleccionó una temperatura de 1020ºC (1870ºF): las muestras fueron sostenidas a esa temperatura por 30 minutos, y luego fueron sometidas a una inmersión a la temperatura de revenido de 250ºC (480ºF) por dos horas. Posteriormente fueron usados dos ciclos de revenido con enfriamientos intermitentes hasta temperatura ambiente.

Las pruebas fueron realizadas en especímenes que habían sido tratados bajo condiciones de laboratorio, es decir, piezas relativamente pequeñas que habían sido templadas rápidamente en aire circulante. Sin embargo, para simular las condiciones del tratamiento térmico real que serían encontradas por los constructores de moldes, se usaron muestras de mayores dimensiones también tratadas usando hornos de vacío, que son los que típicamente se encuentran disponibles entre los equipos de los tratadores térmicos comerciales. Estas variaciones en las condiciones del tratamiento térmico serán comparadas y discutidas más adelante en detalle.

La temperatura óptima de endurecimiento para el Stavax Supreme es de 1020ºC con una tiempo de sostenimiento de 30 minutos. La curva de revenido, figura 1a, es similar a la curva de un inoxidable tipo 420 (1.2083); sin embargo, a mayores temperaturas la resistencia al revenido es mayor para el nuevo material. Esto significa que para una temperatura de revenido dada, el nivel de dureza será un poco mayor. La microestructura del Stavax Supreme en la condición de templado y revenido consiste de pequeños carburos en una matriz de martensita revenida (figura 1b).

Una de las mayores limitaciones del acero inoxidable tipo 420 es la falta de ductilidad y tenacidad. Es decir, el material no posee un nivel alto de resistencia al agrietamiento. Sin embargo ha habido un notable incremento en la ductilidad y la tenacidad del nuevo tipo, Stavax Supreme.

La ductilidad ha sido medida mediante una prueba de impacto realizada en una probeta sin muesca con las dimensiones estándar de 7 x 10 x 55 mm. La prueba de impacto usa un péndulo oscilante que fractura una muestra del material en cuestión. La cantidad de energía absorbida por la probeta se expresa en Julios o en pies-libra fuerza.

La figura 2 muestra la energía de impacto con probeta sin muesca para los dos tipos de acero, en direcciones longitudinal y transversal para probetas extraídas del centro de una barra. La mayor energía de impacto del Stavax Supreme le dará al material mucha mayor resistencia a la propagación de las grietas.

Otro mecanismo de falla experimentado comúnmente por los aceros para moldes es la corrosión. La humedad y los gases agresivos creados por la resina plástica promoverán el ataque por picado localizado o la corrosión general. La corrosión también puede generarse dentro de los canales de enfriamiento.

La presencia de iones de cloruro dentro del agua de enfriamiento en conjunto con el nivel de PH del agua, la temperatura y la tasa de flujo, determinarán la extensión del ataque corrosivo en los canales de enfriamiento.

Hay muchas razones por las cuales las grietas se inician en estos canales. Algunas de las más comunes son:

• Los canales de enfriamiento para acoplar pueden experimentar corrosión galvánica o corrosión por descascaramiento cerca de los acoples de latón y cobre.
• Los canales de enfriamiento contienen regiones roscadas, es decir, esquinas agudas que resultan en altas concentraciones de esfuerzos.
• La fatiga por corrosión puede iniciarse desde áreas de corrosión localizada como cavidades, las cuales se desarrollan en ambientes que contienen los cloruros comúnmente encontrados en aguas de enfriamiento tratadas inadecuadamente.

Con el fin de comparar la resistencia a la corrosión generada en cada tipo de acero, fueron medidas curvas de polarización y los resultados son los que se muestran en la  figura 3a. Las probetas fueron terminadas con papel de lija No. 600 y sumergidas en una solución de 0.05M H2SO4 purgada con nitrógeno a un nivel de pH de 1.2; la temperatura se mantuvo a 22ºC (72ºF) con una tasa de medición de 0.5mV/s

Las gráficas pueden ser interpretadas comparando la altura del pico activo de corrosión, icr y el ancho del rango de potencial de pasivación lp. Un icr bajo indica un incremento de la resistencia a la corrosión y un incremento en el lpindica un incremento en la estabilidad de la pasividad (es decir, un incremento en la resistencia al ataque corrosivo debido a la formación de la capa de óxido protectora).

Para comparar la resistencia a la corrosión por picado se condujo una prueba de cámara salina. Esta es una prueba de corrosión acelerada en la cual las probetas se exponen a una niebla fina de solución que contiene cloruro de sodio (NaCl). Aquí las muestras se expusieron a una aspersión con una solución al 5% de NaCl con un pH de 3. La solución se mantuvo a una temperatura de 20ºC (68ºF) a través de toda la prueba.

En la figura 3 se muestra la mayor resistencia a la corrosión del Stavax Supreme comparado con el tipo inoxidable 420 (1.2083) tanto en la prueba de polarización anódica como empíricamente en la prueba de cámara salina.

Examinando la figura 3a se puede ver que la altura del pico de corrosión activa (icr) es considerablemente más bajo para el material Stavax Supreme y el ancho del rango de potencial de pasivación (lp) es mayor. Ambos criterios indican que el Stavax Supreme tiene una mayor resistencia al ataque corrosivo. Los resultados de la cámara salina también confirmaron estos hallazgos.

Tratamiento térmico de grandes dimensiones
La capacidad de endurecimiento relativa entre el Stavax Supreme y el acero inoxidable para moldes tipo 420 fue medida en el laboratorio inicialmente. Para la prueba se usaron pequeñas probetas con una dimensión de 3mm de diámetro. La técnica requiere que las muestras sean calentadas a una temperatura de endurecimiento específica (en este caso 1020ºC/1870ºF) y que las durezas sean medidas luego del templado, como función de las diferentes tasas de enfriamiento.

Estas pruebas se realizaron con ayuda de un dilatómetro, un instrumento que está equipado precisamente para medir la tasa de enfriamiento de la muestra en un rango específico de temperaturas. Con estos datos se puede ver la respuesta del material al tratamiento térmico, esto es, puede determinarse la capacidad de endurecimiento.

Se pueden correlacionar estos datos de tasa de templado contra respuesta en dureza para las tasas de templado que son alcanzadas típicamente en el ambiente comercial del tratamiento térmico. Por ejemplo, una tasa de templado de .30ºC/s (.54ºF/s), medida entre temperaturas de 800ºC (1470ºF/s) y 500ºC (930ºF) que son características de la tasa que se alcanzaría en el centro de una barra de 10 pulgadas (250mm) (de cualquier longitud) cuando se templa con nitrógeno en un horno de vacío a 5 bares de presión.

Usando esta información se puede determinar que una barra de 10 pulgadas de diámetro hecha de Stavax Supreme entregaría una dureza en el interior de 54 HRC. La misma dimensión de una pieza hecha con inoxidable tipo 420 entregaría una dureza de sólo 45 HRC en el centro.

La caída en dureza para el material inoxidable tipo 420 (1.2083) se debe a la formación de perlita y carburos en las fronteras de grano después del templado desde la temperatura de endurecimiento. La mayor capacidad de endurecimiento del Stavax Supreme provee altos niveles de dureza en dimensiones relativamente grandes.

También se condujo un tratamiento térmico a escala real de grandes bloques para examinar la respuesta del material a un tratamiento térmico "comercial" de manera más detallada. Se seleccionaron las siguientes dimensiones: 14 x 18 x 19.7 pulgadas (356 x 457 x 500 mm) y 10 x 19.7 x 24 pulgadas (254 x 500 x 610 mm).

Las piezas de muestra fueron templadas con nitrógeno desde una temperatura de endurecimiento de 1020ºC (1870ºF) en la cámara fría de un horno de vacío a 5 bares de presión. Los bloques fueron revenidos dos veces a 250ºC (480ºF) con enfriamientos intermitentes a temperatura ambiente.

La velocidad de enfriamiento entre 800ºC (1470ºFs) y 500ºC (930ºF) de nuevo fue medida y se determinó que era de aproximadamente 0.18ºC/s (0.32ºF/s) en el centro de los bloques. Debido a la excelente endurecibilidad del Stavax Supreme, se midió una dureza consistente de 48 a 49 HRC a través de la sección transversal de ambas muestras.

En comparación, la dureza del inoxidable tipo 420 (1.2083) es baja en la superficie y a medida que se progresa desde el medio del espesor hacia el centro, cae de manera muy significativa. La medida real de dureza en el centro es equivalente a la condición de recocido suave que tenía en su estado inicial.

La microestructura en el centro del Stavax Supreme, incluso en el bloque más grueso es de 100% martensita. A medida de comparación, la microestructura en la superficie del inoxidable tipo 420 (1.2083) se muestra en la figura 4. Hay aproximadamente un 35% perlita y formación de carburos en las fronteras de grano en este punto. En el centro el contenido de perlita es aún más grande lo cual explica las mediciones tan bajas de dureza que se obtuvieron.

Resumen
Las propiedades mecánicas como ductilidad y tenacidad, al igual que la resistencia a la corrosión, se han incrementado significativamente en el Stavax Supreme comparadas con las del acero inoxidable para moldes tipo 420 (1.2083). Si las dimensiones del molde se aumentan, la habilidad para alcanzar una tasa adecuada de enfriamiento durante la operación de tratamiento térmico se reduce ampliamente. Como se muestra en las pruebas específicas, esto trae como resultado una reducción dramática de las propiedades mecánicas y de la resistencia a la corrosión en acero inoxidable para moldes tradicional tipo 420.

Sin embargo, debido a la composición química del Stavax Supreme y a los procedimientos específicos de fundido y forjado usados durante su producción, el material es capaz de alcanzar propiedades superiores. La capacidad de endurecimiento mejorada del Stavax Supreme asegura que tamaños más grandes puedan ser tratados térmicamente y aún así mantengan altos niveles de dureza, excelente ductilidad y un nivel mejorado de resistencia a la corrosión. Esto va a permitir que los moldeadores de plásticos construyan herramientas más grandes y más complejas a partir de un acero inoxidable para moldes completamente endurecible (~50HRC).