El acero H13 presenta una alta templabilidad, excelente resistencia al desgaste y al calor, manteniendo una dureza y resistencia relativamente altas por debajo de los 600 °C, además de una resistencia superior a la fatiga en frío y en caliente y una buena estabilidad de revenido. Se utiliza ampliamente en moldes de fundición a presión para aluminio, cobre y sus aleaciones, lo que genera importantes beneficios económicos. Sin embargo, los módulos H13 producidos por la empresa mostraron agrietamiento superficial, esferoidización incompleta y microestructura irregular durante la producción de prueba. Este artículo presenta un proceso de normalización a alta temperatura seguido de un recocido de esferoidización para mejorar la calidad del módulo y lograr una microestructura uniforme.

1. Se identificaron problemas durante el proceso de desarrollo del prototipo.

El módulo experimental se fabricó con acero H13, con dimensiones de 400 mm × 1000 mm × 3000 mm, y la temperatura final de forjado fue de aproximadamente 950 °C. Debido a la ausencia de un tratamiento térmico posterior al forjado, se produjo agrietamiento superficial tras el enfriamiento al aire a temperatura ambiente, extendiéndose hacia el interior del módulo. El análisis reveló que el acero H13 es un acero templable, lo que significa que su estructura martensítica se forma durante el enfriamiento al aire. Las intensas tensiones microestructurales generadas durante el proceso de enfriamiento al aire posterior al forjado provocaron el agrietamiento superficial del módulo.

Para evitar el agrietamiento, los módulos de acero H13 se sometieron directamente a un enfriamiento lento en el horno después del forjado, seguido de un recocido de esferoidización. Después del recocido de esferoidización, se midió la dureza del módulo utilizando un durómetro Brinell; se analizaron tres muestras, tomando mediciones de dureza en ocho puntos cada una (véase la Tabla 1). Como se muestra en la Tabla 1, la dureza generalmente cumplió con los requisitos, pero la uniformidad fue insatisfactoria debido a una variación significativa de la dureza, con puntos individuales que superaron el límite especificado (≤220 HB). El análisis metalográfico de los módulos reveló la microestructura como se ilustra en la Figura 1.

La Figura 1 muestra la microestructura después del recocido de esferoidización isotérmica, que consiste en una etapa a alta temperatura (870 °C) durante 8 horas y una etapa a baja temperatura (730 °C) durante 14 horas. En la Figura 1(a), se observa una segregación severa de la red de carburos y una mezcla significativa de granos. La Figura 1(b) revela abundantes partículas de carburo dispersas, lo que indica que el efecto de esferoidización cumple con el objetivo previsto; sin embargo, la segregación sigue siendo pronunciada, con algunos carburos formando una distribución en red que reduce la efectividad de la esferoidización en esas regiones. Los carburos en red representan riesgos graves para el acero de moldeo, ya que actúan fácilmente como fuentes de grietas durante el servicio, lo que provoca fallas en el material. Por lo tanto, dichas redes de carburos deben controlarse dentro de límites aceptables. Este estudio sometió el lote de acero H13 que presentaba una segregación severa de carburos a una normalización a alta temperatura seguida de un recocido de esferoidización isotérmica para evaluar la mejora en su microestructura bajo estas condiciones.

2. Materiales y métodos experimentales

Se tomaron pequeñas muestras de los módulos que presentaban una segregación severa para el análisis espectral; sus composiciones químicas se muestran en la Tabla 2. La composición química de este acero H13 cumple con la norma GB/T 1299–2000 "Acero para herramientas de aleación". Los módulos se dividieron en tres grupos y se sometieron a normalización a alta temperatura a 970 °C, con tiempos de mantenimiento de 5, 7 y 10 horas, respectivamente. El proceso de tratamiento térmico consistió en normalización a alta temperatura (enfriado al aire) seguida de recocido de esferoidización isotérmica. Los parámetros del recocido de esferoidización isotérmica fueron: etapa de alta temperatura a 870 °C durante 8 horas, y etapa de baja temperatura a 730 °C durante 14 horas. Con base en el efecto del tiempo de normalización a alta temperatura en la microestructura de los módulos, se desarrolló un nuevo proceso de tratamiento térmico.

Tras 5 horas de normalización a alta temperatura, el grado de segregación (véase la Figura 2(a)) mostró una mejora significativa en comparación con la Figura 1, aunque la segregación persistió. Al extender el tiempo de mantenimiento de la normalización a 7 horas, la segregación se eliminó prácticamente por completo; sin embargo, la red de carburos se mantuvo relativamente definida, con finas redes de carburos secundarios disolviéndose completamente en la matriz durante el proceso de austenización, mientras que las redes de carburos gruesos permanecieron insolubles, lo que las clasificó como no conformes según las normas de la Asociación Norteamericana de Fundición a Presión (NADPA). Extender el tiempo de mantenimiento a 10 horas eliminó la mayoría de las redes de carburos, dejando solo las redes de carburos gruesos iniciales. El posterior recocido de esferoidización dio como resultado una microestructura esferoidizada más uniforme, lo que le valió al material la clasificación AS4 según las normas de la NADPA y cumplió con los criterios de aceptación. El análisis demuestra que la normalización a alta temperatura elimina eficazmente la segregación y mejora la morfología y la distribución de las redes de carburos. A medida que aumenta el tiempo de mantenimiento, las partículas de carburo se disuelven gradualmente, lo que conlleva la eliminación progresiva de la segregación y las redes de carburo, mejorando así significativamente la microestructura del material.

Tras el forjado, el acero H13 tiende a desarrollar grano grueso debido a la temperatura de forjado final excesivamente alta y a la baja velocidad de enfriamiento. Al ser un acero hipereutectoide, el H13 presenta precipitación de carburos secundarios en forma de red durante el enfriamiento lento, y su alto contenido de aleación inevitablemente provoca segregación del material. Para mejorar la microestructura posterior al forjado de los módulos de acero H13, se recomienda un tratamiento de normalizado a alta temperatura para lograr una microestructura uniforme.

Para eliminar los carburos reticulares, la pieza debe calentarse a una temperatura suficiente para disolver los carburos secundarios. Sin embargo, la temperatura de recocido de esferoidización (870 °C) es insuficiente para lograr esta disolución. En consecuencia, sin una normalización a alta temperatura, la red de carburos sigue siendo difícil de eliminar y la segregación no se puede mejorar, lo que provoca que el módulo H13 no cumpla con los estándares. Después de la normalización a alta temperatura, las partículas finas de carburo se disuelven completamente en la matriz, la red de carburos se refina gradualmente hasta fracturarse y la microestructura se vuelve más uniforme. Tras el período de mantenimiento de la normalización, el enfriamiento rápido al aire evita la formación de carburos secundarios reticulares. Posteriormente, el recocido de esferoidización promueve el crecimiento de carburos uniformemente dispersos desde la matriz hacia estructuras esféricas, mejorando así la microestructura recocida.

En resumen, el enfriamiento lento posterior al forjado conduce a microestructuras gruesas y a la formación de carburos en red, mientras que la normalización a alta temperatura mejora tanto los carburos en red como la segregación del material. Por lo tanto, la microestructura de recocido se puede optimizar mediante dos enfoques: enfriamiento rápido adecuado después del forjado, seguido de normalización a alta temperatura y recocido esferoidizante final. Con base en el análisis de estos ejemplos, se estableció el proceso óptimo como se muestra en la Figura 3. Después del forjado, el material se enfría al aire y se mantiene por encima del punto Ms durante un período para evitar la transformación martensítica, seguido de normalización a alta temperatura y recocido esferoidizante isotérmico. La Figura 4 ilustra la microestructura obtenida bajo este nuevo proceso, demostrando una esferoidización altamente significativa con una tasa de esferoidización superior al 95 % y un tamaño de grano de aproximadamente grado 7. Clasificado como AS1 según los estándares de la North American Die Casting Association, el producto ha recibido comentarios positivos de los clientes.

4. Conclusión

1) El enfriamiento lento posterior al forjado del acero H13 da lugar a la formación de una precipitación de carburos en forma de red. Cuanto más lenta sea la velocidad de enfriamiento, más pronunciada será la red de carburos. Si bien el normalizado posterior puede mejorar este aspecto, persisten algunas microestructuras anómalas en la matriz, difíciles de eliminar. Además, el enfriamiento lento produce tamaños de grano anormalmente grandes, que son hereditarios y difíciles de refinar posteriormente.

2) El normalizado a alta temperatura mejora la segregación y la formación de carburos reticulados en la microestructura posterior al forjado del acero H13. Dentro de un cierto intervalo de tiempo, la mejora en la microestructura se vuelve más pronunciada a medida que aumenta el tiempo de mantenimiento a la temperatura de normalizado.

3) Después del forjado, el acero H13 se enfría al aire por encima de la temperatura Ms y luego se somete a una normalización a alta temperatura, lo que da como resultado una estructura esferoidizada más uniforme y dispersa con un efecto de esferoidización superior.