D2 frente a SKD11: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

El D2 y el SKD11 son dos de los aceros para herramientas más comúnmente especificados para aplicaciones de trabajo en frío y alto desgaste. Ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción evalúan con frecuencia las ventajas y desventajas entre resistencia al desgaste, tenacidad, costo y facilidad de fabricación al elegir entre ellos. El dilema práctico de selección generalmente se centra en qué estándar y cadena de suministro es el más conveniente, garantizando al mismo tiempo la dureza y la vida útil requeridas; en resumen, se trata de equilibrar la resistencia al desgaste y la respuesta al tratamiento térmico con la fragilidad en servicio y la dificultad de fabricación.

Ambos aceros son muy similares desde el punto de vista químico y funcional: uno se define en las normas norteamericanas/europeas y el otro en las japonesas, y con frecuencia se consideran prácticamente equivalentes en planos y especificaciones. Las pequeñas diferencias en las tolerancias de composición, los límites de impurezas y los tratamientos térmicos comerciales (y, por lo tanto, en su rendimiento en condiciones extremas o procesos específicos) son las principales razones por las que se siguen comparando.

1. Normas y designaciones

• AISI/ASTM: AISI D2 / UNS T30402, comúnmente referenciado en América del Norte.
• JIS: SKD11 (JIS G4404), referenciado comúnmente en Japón y en muchas cadenas de suministro asiáticas.
• EN / ISO: EN 1.2379 (a menudo utilizado como identificador europeo para esta familia).
• GB: Los equivalentes chinos se identifican normalmente con nombres de la serie Cr (por ejemplo, variantes de Cr12MoV) en las normas GB.

Clasificación: Tanto el D2 como el SKD11 son aceros para herramientas de trabajo en frío con alto contenido de carbono y cromo (tipo acero para herramientas, no inoxidable). Están aleados para lograr una alta resistencia al desgaste y una alta templabilidad, y se utilizan principalmente en matrices de trabajo en frío, herramientas de corte y componentes de desgaste.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos de composición típicos (en % peso). Los valores son rangos típicos utilizados comercialmente; consulte el certificado del fabricante para conocer la composición química exacta del lote.

Elemento	Típico — AISI D2 (en peso %)	Típico — JIS SKD11 (en peso %)
do	1,40 – 1,60	1,40 – 1,60
Minnesota	0,30 – 1,00	0,10 – 1,00
Si	0,20 – 0,60	0,10 – 0,60
PAG	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mes	0,70 – 1,20	0,20 – 1,00
V	0,30 – 1,10	0,20 – 0,80
Nb/Ti/B	Normalmente ninguna o trazas	Normalmente ninguna o trazas
norte	rastro	rastro

Notas: - Ambos grados dependen de un alto contenido de carbono y cromo para formar una matriz martensítica con una densa población de carburos ricos en cromo (que contribuyen a la resistencia al desgaste). Se añade molibdeno y vanadio para refinar el tipo y la distribución de los carburos, aumentar la templabilidad y mejorar la respuesta al endurecimiento secundario. Pequeñas diferencias en los rangos de Mo y V entre los estándares pueden afectar la morfología de los carburos y su comportamiento durante el revenido. - El fósforo y el azufre se controlan a niveles bajos para preservar la tenacidad y la maquinabilidad.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono aumenta la dureza y la resistencia al desgaste mediante la formación de martensita y carburos, pero reduce la soldabilidad y la tenacidad. - El cromo (en alto nivel) produce carburos de cromo duros y mejora la templabilidad; en estos niveles confiere una resistencia limitada a la corrosión, pero no hace que el acero sea inoxidable. - El vanadio y el molibdeno producen carburos duros y estables y ralentizan el engrosamiento de los carburos durante el revenido, mejorando la resistencia al desgaste y la dureza en caliente. - El silicio y el manganeso están presentes en niveles moderados para la desoxidación y la resistencia.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura típica (después del tratamiento térmico estándar): una matriz martensítica que contiene una red/dispersión de carburos de aleación ricos en cromo (predominantemente del tipo M7C3 / M23C6 dependiendo de la química y el tratamiento) más carburos MC más duros cuando el vanadio es significativo.

Características del tratamiento térmico: - Estado recocido/blando: carburos esferoidizados en una matriz ferrítica/perlítica para facilitar el mecanizado (normalmente se utiliza para el pre-mecanizado). Endurecimiento: las altas temperaturas de austenización (generalmente dentro del rango apropiado para aceros con alto contenido de carbono y cromo) producen una matriz martensítica al enfriarse rápidamente. Debido al mayor contenido de cromo y aleación, las piezas requieren una austenización elevada y un enfriamiento controlado para evitar el agrietamiento. - Revenido: una secuencia de ciclos de revenido permite lograr el equilibrio deseado entre dureza y tenacidad. Puede producirse un endurecimiento secundario (debido a la precipitación de carburos ricos en Mo y V); la selección de la temperatura de revenido influye considerablemente en la tenacidad final y en la austenita retenida. - Normalización y procesamiento termomecánico: su papel es limitado en comparación con el temple y revenido, ya que los carburos preexistentes determinan el comportamiento al desgaste; sin embargo, la forja/normalización controlada puede homogeneizar la distribución de los carburos y reducir la segregación.

Diferencias entre D2 y SKD11: Las diferencias microestructurales son sutiles y se deben principalmente a pequeñas tolerancias químicas y a los procesos de fabricación. Una norma podría especificar un contenido ligeramente superior de vanadio o molibdeno, lo que produciría carburos MC más finos y una resistencia al desgaste marginalmente mejorada tras el tratamiento térmico. En la mayoría de las aplicaciones, estas diferencias son secundarias al control del tratamiento térmico y del proceso.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Rangos típicos de propiedades después de un temple y revenido adecuados (representativos — dependen del proceso).

Propiedad	AISI D2 (rango típico)	JIS SKD11 (rango típico)
Resistencia a la tracción	~1000 – 2000 MPa (dependiendo del proceso)	~1000 – 2000 MPa (dependiendo del proceso)
Fuerza de fluencia	No se suele especificar por separado; alto y cercano a la UTS en estado endurecido	Similar
Alargamiento (Ao)	~3 – 12% (disminuye con mayor dureza)	~3 – 12%
Resistencia al impacto (Charpy)	De baja a moderada; muy dependiente del templado.	De bajo a moderado; similar
Dureza (HRC)	Normalmente, 55-62 HRC después del endurecimiento y revenido.	Normalmente 55 – 62 HRC

Interpretación: Ambos aceros alcanzan una elevada dureza y resistencia a la tracción con un tratamiento térmico adecuado. La ductilidad y la resistencia al impacto son limitadas a alta dureza; el revenido para reducir la dureza mejora la tenacidad, pero disminuye la vida útil. Ninguno de los dos grados es tan resistente como los aceros estructurales de baja aleación; su objetivo de diseño es la resistencia al desgaste con una dureza elevada. Pequeñas diferencias en la composición química pueden modificar el punto de equilibrio óptimo, pero no el comportamiento fundamental.

5. Soldabilidad

Un alto contenido de carbono y cromo aumenta la templabilidad y el volumen de carburos; ambos factores degradan la soldabilidad. Consideraciones clave: - El precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) suelen ser necesarios para evitar el agrietamiento en frío y para templar la martensita formada en la zona afectada por el calor. - La precipitación y segregación de carburos puede complicar las propiedades de la zona de fusión de la soldadura.

Expresiones predictivas útiles: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Un valor más alto de $CE_{IIW}$ indica que se requiere un precalentamiento y un control PWHT más estrictos y una mayor susceptibilidad al agrietamiento.

• Parámetro internacional $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ De manera similar, valores más altos de $P_{cm}$ indican procedimientos de soldadura más rigurosos.

Orientación cualitativa: Tanto el D2 como el SKD11 son difíciles de soldar en estado endurecido; por lo general, se evita la soldadura, salvo para reparaciones que requieren procedimientos especializados (precalentamiento controlado, baja entrada de calor, metales de aporte adecuados y tratamiento térmico posterior a la soldadura). El brasado, la fijación mecánica o la creación de características mediante electroerosión y el relleno con aleaciones de aporte compatibles son alternativas comunes.

6. Corrosión y protección de superficies

• Estos aceros no son inoxidables a pesar de su alto contenido en cromo; el cromo está presente principalmente para formar carburos duros. Su resistencia a la corrosión es moderada en comparación con los aceros inoxidables.
• Las estrategias de protección habituales incluyen pinturas, recubrimientos poliméricos, fosfatado y electrodeposición para la corrosión atmosférica, y galvanizado cuando sea apropiado (teniendo en cuenta la fragilidad del recubrimiento en los bordes afilados). Para las herramientas, se utilizan tratamientos superficiales como la nitruración, los recubrimientos por deposición física de vapor (PVD) (TiN, DLC) o el cromado duro para prolongar su vida útil y reducir la fricción y el desgaste.
• PREN no es aplicable a los aceros para herramientas que no sean inoxidables, pero a modo de referencia: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice solo tiene sentido para aleaciones inoxidables con una resistencia significativa a la corrosión; las aleaciones D2/SKD11 no se evalúan de esta manera.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Mecanizado: Ambos materiales son relativamente fáciles de mecanizar en estado recocido tras la esferoidización. En estado endurecido, su mecanizado resulta difícil y suele realizarse mediante rectificado, electroerosión o herramientas de carburo de corte lento y pesado con configuraciones rígidas.
• Conformado y doblado: Limitado en estado endurecido; el conformado debe realizarse en estado recocido. Los riesgos de recuperación elástica y agrietamiento aumentan con el contenido de carbono y la dureza.
• Acabado superficial: El rectificado y el pulido son procesos estándar para las herramientas finales; los tratamientos criogénicos y los recubrimientos PVD son comunes para prolongar su vida útil.
• Tratamiento térmico y agrietamiento por temple: Debido a su alta templabilidad, el control de la severidad del temple y la geometría de la pieza es esencial para evitar grietas y distorsiones por temple.

8. Aplicaciones típicas

AISI D2 – Usos típicos	JIS SKD11 – Usos típicos
Cuchillas de troquelado, cuchillas de corte longitudinal, cuchillas de cizalla, troqueles de troquelado y estampado	Punzones de troquelado, matrices de precisión, cuchillas de corte, cuchillas de corte longitudinal
Placas de desgaste, matrices de conformado, herramientas de extrusión para materiales no ferrosos	Matrices para trabajo en frío, insertos de molde de plástico para algunas aplicaciones (preendurecidos).
Herramientas de chapa metálica de larga duración, herramientas de laminación para laminación ligera	Herramientas de alto desgaste donde el suministro desde fábricas que especifican JIS es conveniente

Justificación de la selección: Utilice estos aceros cuando se requiera alta resistencia al desgaste con elevada dureza y una tenacidad moderada. La selección se basará en el modo de desgaste específico (adhesivo o abrasivo), la geometría de la pieza y el proceso de fabricación. Para aplicaciones que requieran alta resistencia al impacto o alta tenacidad, considere aceros para herramientas alternativos (por ejemplo, AISI O1 para tenacidad moderada o la serie H para trabajos en caliente).

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: Ambos aceros para herramientas tienen un coste medio; el precio depende del contenido de aleación, el tamaño de la barra/placa y la ubicación del mercado. Pequeñas diferencias en el contenido de Mo y V pueden afectar ligeramente al precio.
• Disponibilidad: El acero D2 está ampliamente disponible en Norteamérica y Europa; el SKD11 se encuentra habitualmente en Japón y Asia. Gracias a las redes globales de laminación, ambos suelen estar disponibles en todo el mundo, pero los tamaños de las existencias, la oferta de placas preendurecidas y las formas de las barras varían según la región.
• Formatos de producto: Barra redonda, barra plana, placa, bloques preendurecidos y material rectificado de precisión; se ofrecen habitualmente bloques para electroerosión y láminas preendurecidas.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación rápida (cualitativa).

Característica	AISI D2	JIS SKD11
Soldabilidad	De pobre a desafiante	De pobre a desafiante
Compromiso entre resistencia y tenacidad	Desgaste muy elevado a costa de la resistencia.	Desgaste muy elevado a costa de la resistencia.
Costo / Disponibilidad local	Ampliamente disponible en Norteamérica y la Unión Europea; precio moderado.	Ampliamente disponible en Japón/Asia; precio moderado

Elige D2 si... - Su cadena de suministro o sus planos hacen referencia a normas norteamericanas/europeas y usted necesita un acero para herramientas de trabajo en frío de alta resistencia al desgaste con un amplio soporte de proveedores en esas regiones. - Se requieren prácticas específicas de tratamiento térmico o certificaciones de proveedores vinculadas a las designaciones ASTM/AISI/EN. - Usted prefiere objetivos Mo/V ligeramente diferentes que se ofrecen ocasionalmente bajo la especificación D2 para mejoras marginales en el endurecimiento secundario.

Elija SKD11 si... - Su base de compras o fabricación opera con especificaciones JIS y usted desea consistencia en el stock local, plazos de entrega más cortos o ventajas de costes de las fábricas asiáticas. - La aplicación de las herramientas es la de herramientas estándar para trabajo en frío (troquelado, troquelado, corte longitudinal), donde el SKD11 se almacena comúnmente y se somete a tratamiento térmico. - Prefieres abastecerte de un certificado químico/de calidad exigido por JIS para el control de proveedores.

Nota final: Para herramientas críticas y piezas de alto valor, especifique el rango de dureza requerido, los objetivos de tenacidad posteriores al tratamiento térmico y solicite los certificados de fábrica y los registros de tratamiento térmico. Las pequeñas diferencias químicas y de procesamiento entre el D2 y el SKD11 suelen ser menos importantes que un tratamiento térmico uniforme, un control preciso de los carburos y un acabado superficial adecuado para lograr una larga vida útil de la herramienta.