H11 frente a H13: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

El H11 y el H13 son dos aceros para herramientas de trabajo en caliente ampliamente utilizados en industrias que requieren herramientas que operen a altas temperaturas, como la fundición a presión, la extrusión, la forja y el estampado en caliente. Ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción se enfrentan con frecuencia al dilema de elegir entre diferentes compromisos de rendimiento: tenacidad y resistencia al choque térmico frente a dureza en caliente y resistencia a largo plazo a la fatiga térmica y al desgaste. La elección afecta la vida útil de la herramienta, los intervalos de mantenimiento, los parámetros de procesamiento (precalentamiento, revenido) y el costo total de propiedad.

La principal diferencia técnica entre H11 y H13 radica en su equilibrio entre resistencia a altas temperaturas y resistencia a los ciclos térmicos (fatiga térmica). H13 suele preferirse cuando la dureza en caliente y la resistencia a la fatiga térmica son críticas; H11 se elige a menudo cuando se requiere una tenacidad y ductilidad ligeramente superiores y se prioriza la resistencia al agrietamiento bajo fuertes impactos mecánicos. Estas diferencias se deben a sus estrategias de aleación y a las microestructuras resultantes tras el tratamiento térmico.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones internacionales comunes:
• AISI/SAE: H11, H13
• DIN/EN: 1.2343 (H11), 1.2344 (H13) — referencias comunes en la literatura europea
• JIS: SKD5, SKH? (varía según el país y la clasificación exacta)
• GB (China): designaciones equivalentes de aceros para herramientas de trabajo en caliente

• ASTM/ASME: consulte las especificaciones y formas de producto pertinentes para aceros de herramientas.

• Clase de material:

• Tanto el H11 como el H13 son aceros para herramientas destinados a aplicaciones de trabajo en caliente. No son inoxidables ni HSLA. Son aceros aleados de cromo-molibdeno-vanadio, endurecibles al aire o al aceite, diseñados para ofrecer estabilidad térmica.

2. Composición química y estrategia de aleación

Los porcentajes exactos varían según la norma y el fabricante, pero ambos grados comparten una estrategia común de aleación para trabajo en caliente: contenido moderado de carbono, cromo significativo, además de molibdeno y vanadio para proporcionar resistencia al revenido, templabilidad y fortalecimiento por carburos. Para evitar citar rangos numéricos patentados, la tabla a continuación describe la presencia y función típicas de cada elemento.

Elemento	H11 — Nivel/función típica	H13 — Nivel/función típica
C (Carbono)	Medio: proporciona templabilidad martensítica y resistencia base	Medio — similar a H11; controla la templabilidad y la respuesta al revenido
Mn (manganeso)	De bajo a moderado: desoxidante, favorece la endurecimiento.	Bajo–moderado — rol similar
Si (silicio)	De baja a moderada: desoxidación, fuerza	Bajo–moderado — similar
P (Fósforo)	Traza — se mantuvo baja para mayor resistencia	Rastro — se mantuvo bajo
S (Azufre)	Traza — controlada para maquinabilidad	Rastreo — controlado
Cr (Cromo)	Moderado — templabilidad, resistencia a la oxidación a altas temperaturas	De moderado a alto: clave para la dureza en caliente y la resistencia a la corrosión.
Ni (níquel)	Generalmente no es significativo.	Generalmente no es significativo.
Mo (Molibdeno)	Moderado: mejora la resistencia a la temperatura y la resistencia al revenido.	Moderado — importante para la resistencia en caliente y la estabilidad del carburo
V (Vanadio)	Moderado — forma carburos estables para resistencia al desgaste y tenacidad	Moderado: contribuye a la dispersión fina de carburos y a la resistencia a la fatiga térmica.
Nb (niobio)	Normalmente no está presente	Normalmente no está presente
Ti (titanio)	Rastro o ausencia	Rastro o ausencia
B (Boro)	Traza (si está presente): potenciador de la endurecimiento	Trazas (si las hay): se pueden añadir en cantidades mínimas para mejorar la endurecimiento.
N (Nitrógeno)	Trazas — pueden estabilizar ciertas características de nitruro/carburo	Rastro

Cómo afecta la aleación al comportamiento: El carbono determina principalmente la dureza alcanzable tras el temple y el revenido, e influye en la templabilidad. Un mayor contenido de carbono aumenta la dureza potencial y la resistencia al desgaste, pero reduce la tenacidad y la soldabilidad. - El cromo aumenta la templabilidad, la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la oxidación/incrustación, lo cual es importante para el trabajo en caliente. - El molibdeno y el vanadio forman carburos estables que mejoran la resistencia al revenido (retención de la dureza después de la exposición a temperaturas elevadas) e influyen en la resistencia a la fatiga térmica. - Las dispersiones finas de carburos de vanadio ayudan a impedir la iniciación y el crecimiento de grietas bajo carga térmica cíclica.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura típica: Tanto el H11 como el H13 se procesan para producir una matriz martensítica revenida con carburos de aleación dispersos (carburos de Cr, Mo y V). El temple produce martensita; el revenido alivia las tensiones y permite que los carburos precipiten y se estabilicen.

Respuesta y vías al tratamiento térmico: - Normalización: Se utiliza para refinar la estructura del grano y homogeneizar las secciones gruesas antes del temple. Ayuda a producir una respuesta de dureza uniforme. - Temple: Los medios de temple típicos son aceite o gas controlado; la temperatura de austenización y la velocidad de enfriamiento controlan la fracción final de martensita y la austenita retenida. Ambos grados requieren un control estricto para evitar el agrietamiento. - Revenido: Varios ciclos de revenido a temperaturas acordes con la temperatura de servicio producen el equilibrio deseado entre dureza, tenacidad y estabilidad térmica. El revenido estabiliza la martensita y precipita los carburos de aleación (Mo, V, Cr). - Procesamiento termomecánico: El forjado y el laminado controlado seguidos de la normalización pueden refinar el tamaño del grano y mejorar la tenacidad; ambos aceros responden positivamente a tales métodos, pero requieren un enfriamiento controlado para mantener la templabilidad.

Nota comparativa: - El equilibrio de la aleación H13 está optimizado para mantener una mayor dureza a temperaturas elevadas (mejor resistencia al revenido), y su distribución de carburos favorece la resistencia a la fatiga térmica y al desgaste a temperaturas de trabajo en caliente. - El H11 está ligeramente más orientado hacia la tenacidad y ductilidad en masa, manteniendo al mismo tiempo una buena resistencia en caliente; su microestructura puede ajustarse para una mayor tenacidad a la fractura en matrices de forja en caliente de alto impacto.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades exactas dependen en gran medida del tratamiento térmico, el tamaño de la sección y la temperatura de revenido. La tabla siguiente ofrece una comparación cualitativa de las propiedades en condiciones típicas de trabajo en caliente tras temple y revenido.

Propiedad	H11	H13
Resistencia a la tracción	Alta (buena fuerza)	Alto (comparable a H11; puede retener niveles más altos a temperaturas elevadas)
Fuerza de fluencia	Alto	Alta; retención ligeramente mejor a temperaturas elevadas
Alargamiento (ductilidad)	Ligeramente más alto (más dúctil)	Ligeramente inferior (resistente pero optimizada para la dureza)
resistencia al impacto	Generalmente mejor (resiste la propagación de grietas bajo fuertes impactos)	Muy buena (diseñada para cargas térmicas cíclicas), pero puede ser ligeramente inferior a la H11 en tenacidad volumétrica.
Dureza (a temperatura ambiente después del revenido)	Alto (ajustable)	Alta — a menudo conserva una mayor dureza a altas temperaturas debido a la aleación.

Interpretación: El H13 generalmente ofrece una retención superior de la dureza a temperaturas elevadas y una muy buena resistencia a la fatiga térmica y al desgaste en caliente. El H11 tiende a proporcionar una tenacidad a la fractura y una ductilidad ligeramente mejores, lo que lo hace atractivo para aplicaciones con mayor riesgo de impacto mecánico y agrietamiento catastrófico.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de los aceros para herramientas de trabajo en caliente es limitada en comparación con los aceros de baja aleación; por lo general, se requiere precalentamiento, temperaturas controladas entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para evitar el agrietamiento y recuperar las propiedades requeridas.

Factores clave: El carbono y la templabilidad efectiva controlan la susceptibilidad al agrietamiento en frío. Ambos grados tienen un contenido medio de carbono y una aleación significativa; se consideran soldables con precauciones. - La microaleación (Mo, V, Cr) aumenta la templabilidad y eleva el riesgo de formación de martensita en la ZAT; esto incrementa el riesgo de fisuración sin un precalentamiento y un tratamiento térmico posterior a la soldadura adecuados. - El uso de metales de aporte iguales o superiores a los originales y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) adecuado es común en las soldaduras de reparación para restaurar la tenacidad y la resistencia al revenido.

Fórmulas empíricas útiles para la evaluación de la soldabilidad: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (predictor del equivalente de carbono-manganeso y la sensibilidad a las grietas de 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 cualitativa: Valores más altos de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ indican un mayor riesgo de formación de una zona afectada por el calor (ZAC) martensítica dura y propensa a agrietarse, y por lo tanto, requisitos más estrictos de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Tanto el acero H11 como el H13 suelen requerir un precalentamiento de intermedio a alto y un revenido posterior a la soldadura debido a su composición de aleación.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el H11 ni el H13 son aceros inoxidables; su resistencia a la corrosión es limitada en comparación con los aceros inoxidables. Para su protección, se suelen utilizar técnicas como la pintura, los recubrimientos con disolventes, la galvanización (cuando sea apropiada para la forma de la pieza) o tratamientos superficiales localizados.
• Opciones de ingeniería de superficies para mejorar la vida útil y la resistencia a la corrosión/desgaste:
• Nitruración o nitrocarburización ferrítica (se requiere un control de proceso cuidadoso para los aceros para herramientas para evitar el sobreteñido).
• Recubrimientos de cromo duro o PVD/CVD para superficies de herramientas (reducen la adhesión y el desgaste).
• Recubrimientos por proyección térmica para una resistencia extrema al desgaste o a la oxidación.
• El PREN (número de equivalencia de resistencia a la corrosión por picaduras) no es relevante para el acero inoxidable H11/H13 en la selección práctica: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice se aplica a las aleaciones inoxidables; los niveles típicos de Cr en H11/H13 son insuficientes para clasificarlas como aceros inoxidables resistentes a la corrosión.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• En estado recocido/preacabado, ambos grados se mecanizan razonablemente bien utilizando herramientas de carburo; la maquinabilidad empeora después del tratamiento térmico (estado endurecido).
• El H13, con su microestructura resistente al revenido, puede ser ligeramente más abrasivo para las herramientas debido a los finos carburos de vanadio.
• Rectificado y electroerosión:
• Ambos materiales responden bien al mecanizado por descarga eléctrica (EDM) para herramientas duras, pero requieren un revenido posterior para recuperar sus propiedades después de las zonas afectadas por el calor del EDM.
• Formabilidad:
• El conformado en frío es limitado; el conformado en caliente y la forja controlada son comunes en el procesamiento de barras y piezas forjadas. El acero H11 puede ser preferible cuando se requiere mayor ductilidad antes del tratamiento térmico final.
• Acabado superficial:
• Ambos materiales aceptan el esmerilado, pulido y recubrimiento convencionales; prepare las superficies cuidadosamente para evitar tensiones residuales que podrían promover el agrietamiento por fatiga térmica.

8. Aplicaciones típicas

H11 — Aplicaciones típicas	H13 — Aplicaciones típicas
Matrices de forja en caliente donde la resistencia al choque mecánico intenso y la tenacidad a la fractura son las principales preocupaciones (matrices de forja por caída grandes, matrices de recalcado).	Matrices de fundición a presión, herramientas de extrusión, matrices de estampado en caliente donde la dureza en caliente sostenida y la resistencia a la fatiga térmica son críticas
Ciertas aplicaciones de punzonado y cizallamiento que requieren buena tenacidad	Punzones y núcleos para trabajo en caliente, insertos de colectores, núcleos de fundición a presión sometidos a carga térmica cíclica
Insertos donde la ductilidad y la resistencia a los impactos reducen el riesgo de fractura catastrófica	Herramientas y moldes que operan a altas temperaturas continuas y a ciclos térmicos repetitivos

Justificación de la selección: - Elija H13 cuando la aplicación implique altas temperaturas superficiales, ciclos térmicos repetidos y contacto abrasivo; la resistencia al revenido y la estructura de carburo del H13 mejoran la vida útil bajo fatiga térmica y desgaste. - Elija H11 cuando el riesgo principal sea el impacto mecánico, cargas brutas pesadas o cuando se requiera una ductilidad/tenacidad ligeramente mayor para evitar una falla frágil.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• Tanto el H11 como el H13 son aceros para herramientas de trabajo en caliente de uso común; su precio varía según los mercados globales de aleaciones. El H13 es más utilizado a nivel mundial, lo que puede hacerlo ligeramente más económico en algunos mercados debido a la escala de producción y la madurez de la cadena de suministro.
• Las variantes especiales o las barras premium fundidas al vacío aumentan el costo para ambos grados.
• Disponibilidad por formato de producto:
• Ambos tipos de acero se encuentran fácilmente disponibles en barras, placas, forjados y piezas preendurecidas para herramientas en los principales distribuidores de acero. El H13 suele tener mayor disponibilidad industrial y un ecosistema más amplio de proveedores y conocimientos técnicos en soldadura y tratamiento térmico.

10. Resumen y recomendación

Criterio	H11	H13
soldabilidad	Regular — requiere precalentamiento y PWHT	Justo — requisitos similares, a menudo ligeramente más sensibles debido a la endurecebilidad
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Mayor tenacidad y ductilidad en volumen	Mejor retención de dureza y resistencia a temperaturas elevadas; resistencia superior a la fatiga térmica
Costo / Disponibilidad	Bien	Muy bueno (ligeramente más común a nivel mundial)

Recomendación: - Elija H13 si sus herramientas están expuestas a altas temperaturas de servicio, ciclos térmicos repetidos (fatiga térmica) o requieren una resistencia superior al desgaste en caliente (por ejemplo, fundición a presión, extrusión, estampado en caliente). - Elija H11 si su aplicación prioriza una mayor tenacidad a la fractura y ductilidad para resistir choques mecánicos y cargas de impacto fuertes (por ejemplo, matrices de forja grandes sujetas a golpes fuertes), y donde se acepta una dureza a alta temperatura ligeramente inferior.

Nota práctica final: Para herramientas críticas, especifique procedimientos claros de tratamiento térmico (precalentamiento, austenización, medio de enfriamiento, programa de revenido), considere los efectos del espesor de la sección y planifique el mantenimiento (reacondicionamiento, procedimientos de soldadura) con su proveedor y especialista en tratamiento térmico. Las pruebas y el monitoreo de los modos de falla iniciales (grietas por fatiga térmica frente a fractura mecánica) son esenciales para validar la elección del grado en su proceso específico.