D2 frente a D3: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros D2 y D3 pertenecen a la serie D de aceros para herramientas de trabajo en frío, comúnmente considerados para aplicaciones donde la resistencia al desgaste y la estabilidad dimensional son cruciales. Los ingenieros y profesionales de compras a menudo deben elegir entre ellos al especificar matrices, punzones, cuchillas de corte y otros componentes sometidos a alto desgaste. Los factores que influyen en la decisión suelen incluir el equilibrio entre resistencia al desgaste y tenacidad, el costo de producción y la disponibilidad, así como los procesos posteriores como soldadura, mecanizado y protección superficial.
La principal diferencia técnica entre las dos calidades radica en el equilibrio entre el carbono y los elementos formadores de carburos duros: una de ellas está diseñada para ofrecer una mayor fracción volumétrica de carburos duros y, por lo tanto, una mayor resistencia al desgaste, a costa de la tenacidad a la fractura y la ductilidad. Debido a esta disyuntiva, las calidades D2 y D3 se comparan habitualmente cuando un ingeniero debe elegir entre maximizar la vida útil en contacto abrasivo y evitar la fractura frágil por impacto o choque.
1. Normas y designaciones
- AISI / SAE: D2 (establecido, ampliamente estandarizado); D3 (menos comúnmente referenciado, todavía en las listas de AISI pero menos ubicuo).
- ASTM/ASME: A681 cubre los aceros para herramientas en general (prácticas de fabricación y tratamiento térmico), pero consulte al proveedor para obtener información sobre los controles de composición específicos.
- ES: Los equivalentes europeos más cercanos a menudo se dan como X37CrMoV5-1 / 1.2379 para aceros tipo D2 (la nomenclatura varía).
- JIS / GB: Las normas japonesas y chinas tienen aceros para herramientas de trabajo en frío similares (por ejemplo, el SKD11 se cita a menudo como equivalente al D2); las designaciones locales varían y deben consultarse entre sí.
Clasificación: ambos son aceros para herramientas de trabajo en frío con alto contenido de carbono y cromo (aceros para herramientas diseñados para la resistencia al desgaste y la estabilidad dimensional en lugar de la resistencia a la corrosión del acero inoxidable o el servicio estructural HSLA).
2. Composición química y estrategia de aleación
Tabla: rangos típicos de composición comercial (en peso %). Los valores mostrados son indicativos; consulte la norma de materiales o el certificado de fábrica para conocer la composición exacta.
| Elemento | D2 típico (en peso %) | D3 típico (en peso %) |
|---|---|---|
| C (carbono) | 1.4 – 1.6 | 1.9 – 2.2 |
| Mn (manganeso) | 0,3 – 0,6 | 0,3 – 0,6 |
| Si (silicio) | 0,2 – 1,0 | 0,2 – 1,0 |
| P (fósforo) | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| S (azufre) | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Cr (cromo) | 11.0 – 13.0 | 11.0 – 13.0 |
| Ni (níquel) | ≤ 0.3 | ≤ 0.3 |
| Mo (molibdeno) | 0,6 – 1,1 | 0,2 – 0,8 |
| V (vanadio) | 0,1 – 0,5 | 0,4 – 1,2 |
| Nb / Ti / B / N | Normalmente traza / no especificado | Normalmente traza / no especificado |
Cómo afecta la aleación al rendimiento - Carbono: aumenta el potencial de dureza mediante la formación de martensita y carburos. Un mayor contenido de carbono en D3 incrementa la fracción de carburos duros y la dureza alcanzable, pero reduce la tenacidad de la matriz. - Cromo: promueve la formación de carburos de cromo duros (tipos complejos M7C3/M23C6 según su composición), aumenta la resistencia al desgaste y la templabilidad, y mejora la resistencia al revenido; no es lo suficientemente alto como para conferir características de acero inoxidable. - Vanadio y molibdeno: forman carburos estables (VC, MoC) que refinan los carburos y mejoran la resistencia al desgaste y la tenacidad; un mayor contenido de vanadio en D3 generalmente aumenta la población de carburos finos y duros, pero también aumenta la abrasividad para las herramientas y un desgaste más rápido de las herramientas de corte. - Silicio y manganeso: desoxidantes menores y ajustadores de resistencia; no predominan en las propiedades de desgaste. - Fósforo y azufre: se mantienen bajos para evitar la fragilidad y la fragilidad en caliente.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: - D2: matriz de martensita revenida que contiene una fracción significativa de carburos ricos en cromo (principalmente M7C3 o carburos complejos de Cr-Mo) con algunos carburos de vanadio. Los carburos se distribuyen para proporcionar resistencia a la abrasión, manteniendo al mismo tiempo una matriz relativamente tenaz. - D3: un mayor contenido de carbono y vanadio aumenta la fracción de volumen y, a menudo, el tamaño o la población de carburos duros de vanadio y cromo; la matriz de martensita templada es correspondientemente más delgada, lo que da una mayor dureza pero una menor tenacidad a la fractura.
Tratamiento térmico y respuesta: Normalización: refina el tamaño de grano de la austenita previa y distribuye los carburos. Ambos grados se benefician de ciclos de normalización controlados para homogeneizar la estructura antes del endurecimiento. - Temple: ambos tipos de acero se endurecen al aire o se templan en aceite según el tamaño de la sección y las recomendaciones del proveedor. El acero D2 se caracteriza por su buena estabilidad dimensional debido a su alto contenido de cromo. El acero D3, con mayor contenido de carburos, requiere un control estricto para evitar el agrietamiento térmico. - Revenido: el equilibrio entre dureza y tenacidad es fundamental. Varios ciclos de revenido reducen la austenita retenida y estabilizan los carburos. El revenido D3 reduce la dureza de forma más abrupta para aumentar la tenacidad, pero no alcanza los niveles de tenacidad del revenido D2 con una dureza similar. - El procesamiento termomecánico (para material forjado o laminado) puede influir en la distribución de carburos y en la dureza secundaria; el control del grano fino mejora la tenacidad para ambos grados.
4. Propiedades mecánicas
Tabla: comparación cualitativa e indicativa de las propiedades mecánicas. Los valores exactos dependen en gran medida del tratamiento térmico, el tamaño de la sección y la temperatura de revenido.
| Propiedad | D2 (típico) | D3 (típico) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Alto (dominado por la matriz) | Muy alto (dominado por carburos) |
| Fuerza de fluencia | Alto | Muy alto |
| Alargamiento (ductilidad) | De bajo a moderado para acero de herramientas | Inferior a D2 |
| tenacidad al impacto (resistencia a la fractura) | De baja a moderada (mejor que D3) | Baja (menor resistencia) |
| Dureza típica después del endurecimiento | ~55–62 HRC (dependiendo de la aplicación) | ~60–64 HRC (dureza máxima alcanzable) |
Explicación El acero D3 alcanza una mayor dureza máxima y una resistencia superior al desgaste abrasivo debido a una mayor fracción volumétrica de carburo, impulsada por un mayor contenido de carbono (y a menudo de vanadio). Esto se produce a expensas de la ductilidad y la tenacidad al impacto. - El D2 es un término medio: dureza máxima ligeramente inferior pero mejor tenacidad y estabilidad dimensional, lo que hace menos probable que falle catastróficamente ante impactos o desalineación.
5. Soldabilidad
La soldabilidad de los aceros para herramientas con alto contenido de carbono y cromo es un reto.
Fórmulas relevantes (interpretación cualitativa): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (predictivo de susceptibilidad al agrietamiento de la soldadura): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación - Tanto D2 como D3 muestran altos $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ impulsados en gran medida por el carbono y el cromo; D3 normalmente tiene un componente de carbono más alto y, por lo tanto, un índice de soldabilidad peor. Recomendaciones prácticas: generalmente se requiere precalentamiento, control de la temperatura entre pasadas, consumibles con bajo contenido de hidrógeno y revenido posterior a la soldadura o tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). La selección del material de aporte para soldadura suele optar por materiales con menor templabilidad o que contengan níquel para reducir el riesgo de fisuras. En utillaje crítico, se evita sistemáticamente la soldadura de reparación o se realiza bajo estrictos controles de procedimiento; en estos casos, pueden ser preferibles alternativas como el mecanizado y la soldadura fuerte.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ni el D2 ni el D3 son inoxidables en el sentido práctico: aunque ambos contienen una cantidad sustancial de cromo, no son aleaciones resistentes a la corrosión destinadas a entornos húmedos u oxidantes sin protección.
- Estrategias de protección típicas: pintura, aceitado, tratamiento con fosfatos, nitruración (para aumentar la dureza superficial y ofrecer una resistencia limitada a la oxidación) y recubrimientos galvánicos localizados cuando sea apropiado. Cabe destacar que la nitruración puede mejorar la vida útil de la superficie sin alterar la tenacidad del material, pero su eficacia está limitada por la distribución de los carburos.
- El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se utiliza para los grados de acero inoxidable: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice no es apropiado para D2/D3 porque no están diseñados ni certificados como aceros inoxidables; por lo tanto, PREN no es aplicable a la familia de aceros para herramientas en condiciones de servicio típicas.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: El acero D2 es exigente con las herramientas de corte, pero relativamente más fácil de mecanizar en estado recocido (recocido blando), y su rectificabilidad es buena en estado endurecido en comparación con los aceros con alto contenido de carburos. El acero D3, con mayor volumen de carburos y más carburos de vanadio, es más abrasivo para las herramientas; reduce su vida útil en operaciones de corte y puede ser más difícil de rectificar o pulir.
- Conformabilidad y doblado: ambos grados generalmente deben conformarse en estado recocido; el conformado en frío en estado endurecido o templado-revenido resulta poco práctico. El D3 es más propenso a agrietarse durante el conformado debido a su menor ductilidad.
- Acabado superficial: se pueden lograr acabados de espejo, pero requieren procesos más abrasivos y cuidado con D3 debido al desprendimiento de carburo y al desgaste diferencial durante el pulido.
8. Aplicaciones típicas
| D2 — Usos típicos | D3 — Usos típicos |
|---|---|
| Troqueles de conformado en frío, herramientas de troquelado y recorte, cuchillas de corte, cuchillas de ranurado, calibres, troqueles que requieren un equilibrio entre resistencia al desgaste y resistencia a los impactos. | Aplicaciones de desgaste severo donde la máxima resistencia a la abrasión es la prioridad y se puede sacrificar la tenacidad; cuchillas especializadas para desbaste o abrasión, algunos insertos de desgaste de larga duración. |
| Bloques de troquel donde la estabilidad dimensional y la resistencia al revenido son importantes | Aplicaciones que requieren la máxima dureza y resistencia al desgaste abrasivo posibles, donde se acepta cierta fragilidad. |
| Operaciones de estampado y corte de larga duración | Herramientas especializadas donde la vida útil por rectificado es crítica y la carga de impacto es mínima. |
Justificación de la selección Elija el grado que mejor se ajuste al tipo de tensión: si se prevén impactos, choques o flexiones repetidas, opte por la opción más resistente (D2). Si predominan el deslizamiento abrasivo continuo o la microabrasión de bajo impacto, y la pieza puede diseñarse para evitar choques, el grado de mayor dureza (D3) puede prolongar los intervalos de mantenimiento.
9. Costo y disponibilidad
- El acero D2 se produce ampliamente, se encuentra disponible en numerosos mercados y en múltiples formatos (placa, barra, material preendurecido, material plano rectificado). Su amplia adopción en la fabricación de herramientas mantiene el coste unitario moderado.
- El acero D3 es menos común y, por lo tanto, suele ser más caro por kilogramo; su disponibilidad puede estar limitada a proveedores especializados o a fundiciones bajo pedido. Además, los costes de mecanizado y utillaje para el D3 tienden a ser mayores debido a su contenido de carburo abrasivo y a la menor vida útil de las herramientas.
- Para la planificación de las adquisiciones, se debe considerar el costo total del ciclo de vida (incluidos el mecanizado, el tratamiento térmico, la vida útil y los ciclos de rectificado) en lugar del precio de la materia prima únicamente.
10. Resumen y recomendación
Tabla resumen (cualitativa):
| Atributo | D2 | D3 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Difícil (pero mejor que D3) | Más difícil (mayor riesgo debido a un nivel más alto de C) |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Mayor tenacidad a una dureza determinada | Mayor dureza máxima y resistencia al desgaste, menor tenacidad |
| Coste y disponibilidad | Ampliamente disponible, precio moderado | Menos común, mayor costo de materiales y procesamiento |
Recomendaciones finales Elija D2 si necesita un acero para herramientas de trabajo en frío equilibrado que ofrezca alta resistencia al desgaste con una tenacidad a la fractura y estabilidad dimensional comparativamente mejores. Casos típicos: troquelado de larga duración, matrices de uso general, aplicaciones que experimentarán impactos o desalineaciones intermitentes. - Elija D3 si: el modo de falla principal es el desgaste abrasivo y puede diseñar para evitar impactos o choques; si maximizar la dureza y el tiempo entre rectificados es el objetivo primordial y se aceptan mayores costos de procesamiento/fabricación.
Nota final: ambos grados requieren una especificación cuidadosa del tratamiento térmico, los efectos del tamaño de la sección y la protección posterior al proceso. Consulte siempre los certificados de fábrica del proveedor, las fichas técnicas y, para las herramientas críticas, realice una validación específica de la aplicación (pruebas de prototipos y análisis de modos de fallo) antes de iniciar la producción en serie.