D3 frente a D2: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros D2 y D3 son aceros para herramientas de trabajo en frío de uso común, elegidos para cuchillos, matrices, cuchillas de corte y piezas de desgaste donde la resistencia a la abrasión es fundamental. Ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción se enfrentan con frecuencia a la elección entre aceros para herramientas de alto cromo y alto carbono, ligeramente diferentes entre sí, al especificar componentes que deben equilibrar la vida útil, la retención de filo, la facilidad de fabricación y el costo.

La principal diferencia operativa entre ambos grados radica en que uno presenta una mayor proporción de carburos endurecedores (debido a un mayor contenido de carbono y elementos formadores de carburos) a expensas de la tenacidad, mientras que el otro equilibra una alta resistencia al desgaste con una tenacidad y estabilidad dimensional ligeramente superiores. Dado que ambos suelen estar disponibles en formatos similares (barras, placas y piezas preendurecidas), se comparan habitualmente en su diseño, ya que una pequeña modificación en la composición química o el tratamiento térmico puede alterar significativamente la vida útil, el riesgo de fractura frágil y los costes de fabricación posteriores.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes en las que aparecen D2 y D3:
• ASTM / ASME: A681 (aceros para herramientas), referencias de la serie A600 para especificaciones de aceros para herramientas
• EN: Designaciones de acero para herramientas EN ISO (los equivalentes pueden variar)
• JIS: Normas industriales japonesas (clases de acero para herramientas)
• GB: Normas chinas para aceros para herramientas
• Clasificación:
• Tanto el D2 como el D3 son aceros para herramientas de trabajo en frío con alto contenido de carbono y cromo (familia de aceros para herramientas, tipo “D” — trabajo en frío, alto contenido de cromo).
• No son aceros inoxidables para herramientas en el sentido de resistentes a la corrosión, ni tampoco son aceros HSLA o aceros estructurales al carbono.

2. Composición química y estrategia de aleación

• La siguiente tabla muestra los rangos de composición típicos utilizados en la industria. Los valores exactos dependen de la especificación o del generador de calor; considérenlos como representativos, no como prescriptivos.

Elemento	Rango típico — D2 (en peso %)	Rango típico — D3 (en peso %)
do	1.40 – 1.60	1.80 – 2.20
Minnesota	0,30 – 0,60	0,30 – 0,60
Si	0,20 – 0,40	0,20 – 0,40
PAG	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 14.0
Ni	≤ 0,30 (generalmente insignificante)	≤ 0,30 (generalmente insignificante)
Mes	0,70 – 1,20	0,30 – 1,00
V	0,10 – 0,60	0.30 – 2.00
Nb / Ti / B	Rastreo hasta 0,05 (si está presente)	Rastreo hasta 0,05 (si está presente)
norte	Rastro	Rastro

Notas: - El D2 normalmente busca un equilibrio entre alto contenido de cromo y contenido moderado de molibdeno con un contenido modesto de vanadio; forma una mezcla de carburos complejos (principalmente tipos M7C3, M23C6 y MC). - El D3 generalmente contiene más carbono y a menudo mayor cantidad de vanadio u otros formadores de carburos en proporciones que aumentan los carburos primarios (grandes) y la fracción de volumen total de carburos duros, lo que aumenta la resistencia a la abrasión pero reduce la tenacidad de la matriz.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - Carbono, cromo, vanadio y molibdeno: influyen en la fracción volumétrica de carburo, la dureza y la templabilidad. Mayor contenido de carbono y vanadio → carburos más estables y duros → mayor resistencia al desgaste. - El cromo en un nivel del 11 al 14 % mejora la templabilidad y promueve la formación de carburos, pero no confiere un rendimiento inoxidable a estos grados (la matriz continua sigue siendo susceptible a la corrosión sin recubrimientos protectores). - El molibdeno y el vanadio refinan el tamaño y la distribución de los carburos y mejoran el endurecimiento secundario y la resistencia al revenido.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructuras típicas:
• Ambas calidades, en estado recocido, presentan una matriz ferrítica (o bainítica, según el proceso) con una dispersión de carburos ricos en cromo. La calidad D3 tiende a mostrar una mayor fracción volumétrica de carburos primarios de mayor tamaño debido a su mayor contenido de carbono y/o de agentes formadores de carburos.
• Comportamiento ante el tratamiento térmico:
• D2: endurecimiento al aire; responde bien al precalentamiento, la austenización (normalmente entre 1000 y 1020 °C, según las indicaciones del proveedor), el enfriamiento lento para minimizar la distorsión y los ciclos de revenido para lograr la dureza y tenacidad deseadas. El D2 presenta buena estabilidad dimensional al templarse en aire estático o aceite, y desarrolla endurecimiento secundario por aleación con Mo/V.
• D3: requiere un control preciso de la austenización y el revenido, ya que la mayor fracción de carburos reduce el volumen de la matriz dúctil. Puede alcanzar una mayor dureza tras el revenido, pero es más susceptible al agrietamiento durante el temple/revenido y puede presentar mayor susceptibilidad a una fractura frágil catastrófica si el revenido es insuficiente.
• Rutas de procesamiento:
• Normalización/refinamiento: ambos procesos se benefician de ciclos de normalización adecuados para deshacer los carburos de fundición y crear un tamaño de grano de austenita previa más uniforme.
• Procesamiento termomecánico: el control de grano fino y la homogeneización reducen el riesgo de que los carburos primarios grandes actúen como sitios de iniciación de grietas, lo cual es particularmente importante para D3.

4. Propiedades mecánicas

• Los valores dependen en gran medida del objetivo del tratamiento térmico (dureza) y de la forma del producto. La tabla siguiente resume los rangos típicos de temple/revenido utilizados en la práctica de producción.

Propiedad	Típico — D2 (tratado térmicamente)	Típico — D3 (tratado térmicamente)
Resistencia a la tracción (MPa)	~900 – 1700	~1.000 – 1.900
Límite elástico (MPa)	~700 – 1.400	~800 – 1.600
Alargamiento (%)	~4 – 12	~2 – 6
Resistencia al impacto (Charpy V, J)	~10 – 30 (depende de la dureza)	~5 – 20 (menor en promedio)
Dureza (HRC)	~56 – 62 típico; se puede templar para temperaturas más bajas	~58 – 64 típico; puede alcanzar un pico de HRC más alto

Interpretación: - El D3 suele lograr una mayor dureza de filo y resistencia al desgaste debido a un mayor contenido de carburo y un mayor nivel general de carbono, pero esto se produce a expensas de la ductilidad y la tenacidad al impacto. - El acero D2 se suele seleccionar cuando se requiere un mayor equilibrio entre tenacidad y resistencia al desgaste; será menos propenso al astillamiento o a la rotura frágil en muchas aplicaciones de herramientas para trabajo en frío.

5. Soldabilidad

• La soldabilidad se ve limitada por el alto contenido de carbono y la fuerte aleación formadora de carburos en ambos grados, lo que promueve zonas afectadas por el calor (ZAC) duras y quebradizas y agrietamiento si no se controlan los procedimientos.
• Dos índices empíricos de soldabilidad de uso común:
• Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm (parámetro de soldabilidad): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Interpretación cualitativa:
• Tanto D2 como D3 suelen dar valores altos de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ en relación con los aceros dulces; un mayor contenido de carbono y un mayor contenido de Cr/Mo/V hacen que los índices suban, lo que indica mayores requisitos de precalentamiento, control de la temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura.
• El acero D3 (con mayor contenido de carbono y posiblemente más V) generalmente tendrá una clasificación de soldabilidad peor que el D2 y a menudo requiere un precalentamiento más agresivo, procedimientos de soldadura con menor aporte de calor o evitar la soldadura mediante fijación mecánica o el uso de material sustituto para los conjuntos soldados.
• Orientación práctica: las reparaciones de soldadura deben ser realizadas únicamente por soldadores cualificados siguiendo procedimientos específicos (precalentamiento controlado, evitar el martilleo restringido, utilizar aleaciones de relleno adecuadas y realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura/alivio de tensiones).

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el acero inoxidable D2 ni el D3 son resistentes a la corrosión, a pesar de su alto contenido en cromo. Se oxidarán en ambientes húmedos o acuosos si no se protegen.
• Estrategias comunes de protección:
• Recubrimientos protectores: pintura, recubrimiento en polvo o recubrimientos antidesgaste especializados (por ejemplo, cromo duro, PVD en superficies subcríticas).
• El galvanizado es posible para algunas formas, pero es inusual para componentes de acero para herramientas porque el recubrimiento de zinc puede no resistir el desgaste intenso y los ciclos de revenido a alta temperatura.
• La lubricación y los entornos controlados prolongan la vida útil de las herramientas.
• El índice PREN no es aplicable aquí porque no se trata de aceros inoxidables diseñados para la resistencia a la corrosión, pero a modo de referencia: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Los cálculos típicos de PREN solo son significativos para grados de acero inoxidable austenítico/dúplex, no para aceros para herramientas de trabajo en frío de la serie D.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• Ambos aceros son más difíciles de mecanizar que los aceros de baja aleación; el mecanizado suele realizarse en estado recocido. El acero D3 es generalmente más abrasivo para las herramientas debido a su mayor fracción volumétrica de carburos y puede requerir avances más lentos, herramientas más robustas y cambios de herramienta más frecuentes.
• Formabilidad:
• El conformado en frío está limitado en estado tratado térmicamente; debe realizarse en estado recocido. El mayor contenido de carburos del D3 reduce la ductilidad y la conformabilidad en comparación con el D2.
• Rectificado y acabado:
• El proceso D3 exige estrategias de rectificado más agresivas y abrasivos de mayor calidad porque los carburos reducen la vida útil del abrasivo y pueden provocar el vitrificado de las ruedas.
• Acabado superficial:
• Es posible lograr un pulido con un acabado fino, pero puede requerir varios pasos de abrasión; la extracción de carburo es un problema si se aplica un pulido o calor inadecuado.

8. Aplicaciones típicas

D2 — Usos típicos	D3 — Usos típicos
Cortadoras y cuchillas de corte	Troqueles de corte de alta precisión y resistencia al desgaste donde se requiere una resistencia extrema al desgaste.
Herramientas de forjado en frío	Punzones de troquelado fino donde la retención de filo es muy alta
Matrices para extrusión donde se requiere resistencia	Herramientas de estampado de larga duración donde el astillado intermitente es aceptable para una mayor vida útil general
Placas de desgaste, rodillos de alimentación	Aplicaciones que requieren máxima resistencia a la abrasión y menor preocupación por la tenacidad.

Justificación de la selección: - Elija el grado en función de si el servicio requiere resistencia al desgaste abrasivo (prefiera un mayor contenido de carburo) o necesita resistencia al astillamiento y la fractura bajo cargas de choque (prefiera la opción más resistente, con una fracción de carbono ligeramente menor/mayor fracción de matriz). - Considere el procesamiento posterior: si se requiere soldadura, conformado o doblado ajustado, la opción con menor contenido de carburo reduce el riesgo de fabricación.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El D3 suele ser ligeramente más caro por kg que el D2 debido a su mayor contenido de aleación y a la mayor dificultad de su procesamiento (es más difícil de mecanizar y rectificar). Sin embargo, la diferencia suele ser modesta y depende del mercado.
• Disponibilidad:
• Ambos son aceros para herramientas maduros y de producción masiva, generalmente disponibles en formatos comunes (barras, planchas, tochos preendurecidos). Los plazos de entrega pueden variar según el tamaño, el acabado y la composición química especial.
• Coste total de propiedad:
• Consideremos el ciclo de vida: un componente D3 más caro que dura sustancialmente más tiempo entre rectificados o reemplazos puede resultar más económico a pesar de su mayor costo inicial.

10. Resumen y recomendación

Criterio	D2	D3
soldabilidad	Justo (requiere controles)	Peor (mayor precalentamiento/controles)
Equilibrio entre resistencia y tenacidad	Mayor tenacidad para una dureza similar	Mayor resistencia al desgaste a expensas de la tenacidad.
Costo	Moderado	Ligeramente más alto (costos de procesamiento y herramientas de desgaste)

Recomendaciones: - Elija D2 si necesita un compromiso práctico de alta resistencia al desgaste con mejor tenacidad, fabricación más sencilla y menor riesgo de astillamiento; típico de las herramientas de trabajo en frío de uso general (cizallas, matrices, cuchillos) donde se requiere resistencia ocasional al impacto. - Elija D3 si el objetivo primordial es maximizar la resistencia al desgaste abrasivo y la retención del filo, y el diseño o proceso puede tolerar una menor tenacidad y controles de fabricación/soldadura más estrictos; esto es típico de troqueles de troquelado de gran volumen o troqueles de troquelado fino de larga duración, donde los reafilados son costosos y el astillamiento es un precio aceptado.

Nota final: el rendimiento exacto depende de la composición química precisa, el ciclo de tratamiento térmico y la geometría del componente. Para aplicaciones críticas, valide los aceros candidatos con las fichas técnicas de tratamiento térmico del proveedor, componentes de prueba y, cuando corresponda, ensayos de desgaste y fractura en laboratorio en condiciones representativas de servicio.