El acero para matrices H13 es un acero para trabajo en caliente, adecuado para la fabricación de matrices en entornos de alta tensión y alta temperatura. Contiene altos niveles de carbono y vanadio, junto con cantidades apropiadas de elementos de aleación como cromo y molibdeno, lo que le confiere una excelente templabilidad, resistencia al desgaste y resistencia al agrietamiento térmico.

Estas propiedades lo convierten en un material ideal para la fabricación de matrices de plástico, matrices de fundición a presión de aleación de aluminio, matrices de estampado en caliente y matrices de estampado en frío de precisión. Sin embargo, el acero para matrices H13 de gran sección es propenso a la segregación y a defectos internos, lo que compromete la calidad y la vida útil de la matriz.

Actualmente, la especificación de acero para matrices más grande en China esΦ650 mmLas especificaciones más exigentes requieren importaciones o forja, lo que incrementa los costos de producción y prolonga los ciclos de producción. Para abordar este problema, el control preciso de la composición química del acero para matrices H13, combinado con la optimización de los procesos de fundición, forja y tratamiento térmico, ha mejorado con éxito la uniformidad microestructural y el refinamiento del grano, optimizando así el rendimiento general del acero para matrices H13 a gran escala.

El diseño de composición del acero para matrices H13 sigue los estándares de laAlianza Norteamericana de Centros de Datos (NADCA), que proporciona un control preciso sobre los elementos de aleación. La comparación de la composición química entre las normas NADCA y el acero para matrices H13 especificado enGB/T 1299—2014se presenta en la Tabla 1.

El diseño de la composición química del acero para matrices H13 se presenta en la Tabla 2. El contenido de carbono (C) se establece en el límite superior del estándar para lograr una alta dureza y resistencia al desgaste; el contenido de cromo (Cr) se ajusta al estándar para equilibrar la templabilidad, la resistencia a la corrosión y la resistencia al calor; el contenido de manganeso (Mn) coincide con el estándar para mejorar la templabilidad y la resistencia manteniendo una buena tenacidad; el contenido de molibdeno (Mo) se selecciona en el límite inferior del estándar para mejorar moderadamente la resistencia térmica y la tenacidad sin un aumento excesivo de costos; el contenido de vanadio (V) también se establece en el límite inferior del estándar para refinar la estructura de grano, mejorar la resistencia y la tenacidad del material y controlar los costos; los contenidos de azufre (S) y fósforo (P) se incrementan para reducir la fragilidad y la plasticidad del material; el control estricto sobre los elementos gaseosos como el nitrógeno (N), el hidrógeno (H) y el oxígeno (O) minimiza la porosidad y las inclusiones, lo que garantiza la pureza del material y un rendimiento estable. Solo mediante un control preciso de la composición química del acero para matrices H13 se puede producir un acero para matrices H13 de gran tamaño, de alto rendimiento y estable, que cumpla con los estrictos requisitos del mercado premium.

2. Optimización del proceso de fabricación

El proceso de fabricación del acero para matrices H13 comprende una refundición inicial por electroescoria, seguida de un forjado en caliente, un recocido de enfriamiento y, finalmente, un mecanizado en bruto.

2.1 Fundición industrial

Siguiendo el método de preparación propuesto por Ni Zhuowen et al., se fabricó un prototipo de acero para matrices H13 mediante un proceso de producción que incluyó la prefusión de la carga de escoria, la iniciación del arco, la fundición, el tratamiento de compensación de contracción, el enfriamiento sin alimentación eléctrica y el desmoldeo. El molde tenía un diámetro de crisol de 480 mm y una capacidad nominal de 2 toneladas. El sistema de escoria consistía en una mezcla de cuatro componentes que contenía 65 % de fluoruro de calcio, 15 % de alúmina, 15 % de óxido de calcio, 5 % de óxido de magnesio y no más del 0,8 % de sílice, con una altura de escoria fundida de aproximadamente 155 mm.

2.2 Forjado por calentamiento

El proceso central de fundición de acero para matrices H13 implica la utilización de deformación plástica para fragmentar las dendritas de carburo dentro del lingote de acero, eliminando su disposición en forma de cadena en zonas de segregación, logrando así el equilibrio estructural y mejorando la resistencia al impacto lateral y longitudinal. Durante la etapa de calentamiento previa a la forja, debe garantizarse un calentamiento uniforme de la losa fundida; por lo tanto, la duración del calentamiento y la temperatura promedio de la zona deben controlarse estrictamente entre 1220 y 1240 °C. Cualquier grieta superficial en el material forjado debe eliminarse de inmediato. Se emplea un proceso de trefilado grueso en cuatro etapas seguido de trefilado KD, con una relación de forja superior a 6 para mejorar la deformación del núcleo y garantizar la densidad del material y una microestructura uniforme. La temperatura final de forja debe mantenerse rigurosamente por debajo de 850 °C para evitar grietas superficiales, particularmente en bordes y esquinas. Se aplica un método de enfriamiento escalonado para reducir la temperatura de forja a temperatura ambiente, con un control estricto del proceso de enfriamiento para minimizar la tensión y la deformación internas, extendiendo así la vida útil de la matriz.

2.3 Recocido y tratamiento térmico

Para preparar el material para los procesos de tratamiento térmico subsiguientes y prevenir la generación de tensiones durante el forjado, se debe realizar primero un recocido. Antes del recocido de esferoidización, la temperatura de forjado debe mantenerse por encima de 500 °C. Se requiere un tratamiento de normalización y granulometría ultrafina previo al recocido, con la temperatura de mantenimiento controlada entre 1020 y 1040 °C y la velocidad de enfriamiento regulada adecuadamente. Este proceso tiene como objetivo refinar la estructura del grano, reduciendo eficazmente la segregación y los carburos reticulados en la pieza forjada, asegurando una microestructura uniforme. Durante el recocido de esferoidización, la temperatura debe ajustarse entre 850 y 870 °C para facilitar la regulación de los carburos y el refinamiento de la microestructura. Se emplea un enfoque de enfriamiento gradual y recocido con temperatura controlada para preparar el material para el tratamiento térmico final.

El proceso de tratamiento térmico incluye temple y revenido secundario. Primero, el material se precalienta durante 10 minutos a 790 °C ± 15 °C, luego se calienta durante 10 minutos a 1010 °C ± 5 °C, seguido de enfriamiento en aceite. Posteriormente, se mantiene a 550 °C ± 6 °C durante 2 horas antes de someterse a dos ciclos de revenido. Para las muestras recocidas de acero para moldes, se tomaron mediciones de dureza en cinco puntos tanto en el núcleo como en la superficie utilizando durómetros Brinell y Rockwell, registrándose los valores promedio; los resultados se presentan en la Tabla 3. Como se muestra en la Tabla 3, después del recocido, las muestras alcanzaron valores de dureza que cumplen con la norma nacional (≤ 229 HBW) y la norma NADCA (≤ 235 HBW), con una diferencia mínima de dureza entre las regiones de la superficie y el núcleo.

2.4 Tratamiento de mecanizado basto

Tras el tratamiento térmico, inspeccione el producto para asegurarse de que su microestructura permanezca intacta, sin grietas ni otros defectos. A continuación, realice el torneado con una gran profundidad de corte y avance (normalmente de 3 a 5 mm de profundidad y de 0,3 a 0,5 mm de avance/revolución), a una velocidad de corte de 100 a 150 m/min. Es necesario realizar una limpieza posterior al mecanizado y prevenir la oxidación.

3. Uniformidad de la organización

3.1 Tejido de alta magnificación

Se recogió una muestra en el centro del acero del molde y otra a la mitad de su radio; estas tres muestras representan todas las direcciones de forjado. Las muestras se corroieron utilizando una solución de ácido nítrico-alcohol al 4%, seguida de 500 análisis de microestructura de recocido y 50 pruebas de segregación de tiras, manteniendo las superficies de prueba paralelas a la dirección de deformación primaria. Esta orientación asegura que los límites de grano posteriores a la corrosión se encuentren más bajos en relación con los centros de grano, creando surcos propicios para un análisis microestructural exhaustivo. Las pruebas de segregación de recocido demostraron una alta uniformidad microestructural, lo que indica que los lingotes de acero del molde se sometieron a una refundición por electroescoria, forjado y tratamiento térmico efectivos. El análisis microestructural reveló que las tres muestras exhibieron estructuras de perlita esferoidizada sin carburos eutécticos en la matriz, con partículas de carburo secundario finas y uniformemente distribuidas. Debido a las grandes dimensiones de las piezas forjadas, las diferentes velocidades de enfriamiento durante el enfriamiento posterior al forjado dieron lugar a distintas variaciones microestructurales: las superficies enfriadas más rápidamente formaron menos carburos y más finos, mostrando una menor esferoidización en comparación con la región central.

3.2 Tejido a baja magnificación

Según las normas nacionales, se debe emplear el método de grabado ácido en frío para tratar el acero para matrices de trabajo en caliente, seguido de un examen microestructural a baja magnificación. Las muestras se sumergieron en una solución acuosa de persulfato de amonio al 30 % durante aproximadamente 5 minutos, luego se enjuagaron a fondo con agua y se limpiaron inmediatamente con alcohol de grado médico, antes de someterse a una inspección visual con lupa. No se observaron defectos metalúrgicos como estratificación visible, burbujas, manchas blancas o grietas, ni se detectaron problemas como porosidad central o segregación del lingote, como se muestra en la Figura 1. Esto se atribuye a la velocidad de solidificación extremadamente rápida del acero fundido durante el forjado, que da como resultado dendritas finas que aseguran una microestructura uniforme, mientras que las variaciones en la orientación del crecimiento cristalino minimizan la porosidad central y la segregación. En consecuencia, el acero para matrices sometido a refundición por electroescoria exhibe una uniformidad y densidad microestructural superiores en comparación con los lingotes fundidos convencionales.

3.3 Análisis del tamaño de grano

Las muestras de acero para matrices H13 se sometieron a un tratamiento térmico de temple gradual a una temperatura de 1010 °C. Posteriormente, se realizó un ensayo de corrosión por tamaño de grano para su clasificación. El proceso de clasificación empleó técnicas de análisis de imágenes mediante software especializado para procesar e interpretar imágenes obtenidas con microscopios metalográficos y electrónicos, calculando parámetros clave como el área y el perímetro del grano para determinar su tamaño.

La Figura 2 muestra imágenes obtenidas mediante microscopía metalográfica y electrónica. Las observaciones revelan que las muestras de acero para moldes presentan predominantemente granos finos, con una pequeña cantidad de granos de mayor tamaño. El tamaño de grano en las regiones de grano fino alcanza el Grado 8, cumpliendo con el requisito mínimo de Grado 7 de la norma NADCA. Esta mejora se debe al proceso de refundición por electroescoria, seguido de forjado con alta relación de forja y tratamiento térmico, lo que redujo significativamente el tamaño de grano y refinó completamente las estructuras de carburo.

4. Conclusión

Para mejorar la uniformidad microestructural del acero para moldes H13 tras el forjado, se optimizó su composición química y se perfeccionó el proceso de fabricación. El procedimiento de forjado para los moldes H13 se diseñó meticulosamente, utilizando un horno de refundición por electroescoria para producir el acero, seguido de un recocido y un tratamiento térmico. Las pruebas posteriores revelaron que el acero para moldes H13 refundido por electroescoria presenta una uniformidad y densidad microestructural superiores en comparación con los lingotes de acero fundido convencionales, observándose mejoras significativas en la microestructura a baja magnificación.