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

Introducción

El H13 y el H11 son dos de los aceros para herramientas de trabajo en caliente más utilizados en la industria. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen considerar el H11 y el H13 al especificar matrices, herramientas de forja en caliente, utillaje de extrusión o componentes para moldeo por inyección que deben resistir altas temperaturas, choques térmicos cíclicos y desgaste abrasivo. El dilema de la selección generalmente gira en torno al equilibrio entre la resistencia a altas temperaturas y la dureza en caliente frente a la tenacidad a la fractura y la resistencia al impacto/desprendimiento bajo fuertes choques mecánicos.

La principal diferencia práctica entre estos grados radica en su equilibrio entre resistencia a altas temperaturas y tenacidad: el H13 se especifica generalmente cuando la dureza en caliente, la resistencia al revenido y la resistencia a la fatiga térmica son primordiales (p. ej., fundición a presión, extrusión), mientras que el H11 se elige a menudo cuando es más importante una mayor tenacidad volumétrica bajo impacto y cargas intermitentes de alta tensión. Ambos son aceros para herramientas de trabajo en caliente con composiciones químicas base similares, pero pequeñas diferencias en el molibdeno y el procesamiento dan lugar a un comportamiento mecánico distinto en servicio.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones comunes:
• ASTM/ASME: A681 (especifica aceros para herramientas AISI/UNS, incluyendo la serie H)
• EN: EN X40CrMoV5-1 (equivalente a H13) y números EN similares para variantes H11
• JIS: SKD61 (equivalente aproximado a H13) y variantes SKD5/SKD9, a veces comparadas con H11.
• GB (China): A menudo se utilizan designaciones comparables (por ejemplo, las designaciones directas H13/H11 son comunes).
• Clasificación:
• Tanto el H13 como el H11 se clasifican como aceros para herramientas de trabajo en caliente (aceros para herramientas aleados). No son aceros inoxidables ni HSLA; son aceros para herramientas de aleación de carbono destinados a herramientas de alta temperatura.

2. Composición química y estrategia de aleación

Rangos de composición típicos (en % peso) para H13 y H11 especificados comercialmente (rangos representativos de hojas de datos y estándares comunes; los valores exactos dependen del estándar y del proveedor):

Elemento	H13 (peso típico%)	H11 (peso típico%)
do	0,32 – 0,45	0,32 – 0,45
Minnesota	0,20 – 0,50	0,20 – 0,50
Si	0,80 – 1,20	0,80 – 1,20
PAG	≤ 0,03	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	4,75 – 5,50	4,75 – 5,50
Ni	≤ 0,30 (traza)	≤ 0,30 (traza)
Mes	1.10 – 1.75	0,80 – 1,20
V	0,80 – 1,20	0,60 – 1,20
Nb (Cb)	rastro	rastro
Ti	rastro	rastro
B	rastro	rastro
norte	rastro	rastro

Cómo afecta la aleación a las propiedades: El carbono y el cromo determinan principalmente la templabilidad, la capacidad de endurecimiento martensítico y la respuesta al revenido. - El molibdeno aumenta la templabilidad, la resistencia al revenido (dureza en rojo) y contribuye a la resistencia a altas temperaturas, una razón clave por la que el H13 (con mayor contenido de Mo) presenta una dureza en caliente y una resistencia a la fatiga térmica superiores. - El vanadio promueve el fortalecimiento por precipitación (VC), contribuye al endurecimiento secundario y a la resistencia al desgaste. - El silicio mejora la resistencia y la resistencia a la oxidación a altas temperaturas. - Los bajos niveles de Mn, P, S y oligoelementos de microaleación controlan la tenacidad y la limpieza.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: En estado recocido o normalizado, ambos grados presentan una matriz de martensita/ferrita revenida con carburos de aleación finos (carburos que contienen Cr y V). La distribución y la fracción volumétrica de los carburos están influenciadas por el C, el Mo y el V. - Después del temple desde una temperatura de austenización suficientemente alta (generalmente 1000–1050 °C para estos grados) y el revenido posterior, la microestructura es martensita revenida con carburos de aleación y posible austenita retenida si se sobretempla o se enfría lentamente.

Cómo les afectan los procesos térmicos comunes: - Normalización: Refina la estructura del grano; se lleva a cabo antes del endurecimiento final para homogeneizar la microestructura y eliminar la segregación. Temple y revenido: Ambos responden bien a los ciclos convencionales de temple y revenido. El mayor contenido de molibdeno del H13 aumenta su templabilidad y mejora su resistencia al revenido (conserva la dureza a temperaturas de revenido más elevadas). El H11, con un contenido ligeramente menor de molibdeno, tiende a alcanzar una dureza comparable, pero puede presentar una tenacidad ligeramente superior tras un revenido optimizado. - Procesamiento termomecánico: El forjado y el laminado controlado previos a la normalización pueden mejorar la tenacidad al fragmentar los carburos gruesos y refinar el tamaño de grano de la austenita original. Este proceso se utiliza frecuentemente en forjados de gran tamaño o herramientas pesadas para maximizar la resistencia a la fractura.

Efecto en el rendimiento: - La microestructura del H13 con mayor contenido de Mo favorece una mayor dureza en rojo y una mayor resistencia al ablandamiento a temperaturas de servicio elevadas. - La microestructura del H11 se puede ajustar (mediante revenido y procesamiento termomecánico) para maximizar la tenacidad del material y la resistencia a la propagación de grietas.

4. Propiedades mecánicas

Rangos típicos de propiedades de temple y revenido (los valores varían según el nivel de revenido y el proveedor; los rangos citados son representativos de condiciones HT comunes):

Propiedad	H13 (rango típico)	H11 (rango típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	1.000 – 1.900	900 – 1.700
Límite elástico (MPa)	800 – 1.500	700 – 1.300
Elongación (%)	6 – 12	6 – 14
Resistencia al impacto (Charpy V-notch, J)	15 – 45	20 – 60
Dureza (HRC, templada y revenida)	40 – 54	40 – 52

Interpretación: - Resistencia: Ambos grados pueden alcanzar resistencias altas similares después de un tratamiento térmico adecuado, pero el H13 se selecciona comúnmente cuando se requiere una mayor resistencia retenida a temperaturas elevadas. - Tenacidad: El acero H11 suele presentar una tenacidad y resistencia al impacto ligeramente superiores en condiciones de dureza comparables. La diferencia se acentúa cuando las herramientas están diseñadas para soportar cargas de choque elevadas o impactos mecánicos repetidos. - Ductilidad: Comparable; el H11 puede mostrar una modesta ventaja en el alargamiento a la fractura dependiendo del templado y el procesamiento.

5. Soldabilidad

La soldabilidad viene determinada por el equivalente de carbono y las contribuciones de la aleación a la templabilidad y la susceptibilidad al agrietamiento en frío.

Fórmulas empíricas útiles: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (más sensible a la tendencia al agrietamiento): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: Tanto el H13 como el H11 presentan un contenido moderado de carbono y una aleación significativa (Cr, Mo, V) que aumenta su templabilidad; por lo tanto, se consideran de dificultad moderada para soldar en estado sin templar. Generalmente se requiere precalentamiento, control de la temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para evitar fisuras. - El mayor contenido de Mo del H13 y, a menudo, su CE ligeramente superior tienden a hacerlo marginalmente más susceptible al endurecimiento y al agrietamiento en la zona afectada por el calor (ZAC), por lo que la práctica de soldadura debe ser más conservadora (mayor precalentamiento, enfriamiento controlado, PWHT). - El H11, con un contenido de Mo ligeramente inferior, es marginalmente más fácil de soldar, pero aún requiere precauciones estándar para aceros para herramientas (precalentamiento, baja entrada de calor, tratamiento térmico posterior a la soldadura) y el uso de metales de aporte compatibles o especializados.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el H13 ni el H11 son inoxidables; ambos son susceptibles a la corrosión en ambientes húmedos o corrosivos. Los métodos de protección típicos incluyen:
• Pinturas o revestimientos de polímeros
• Pasivación química (eficacia limitada en estos aceros aleados)
• El galvanizado localizado es poco común en las herramientas porque los recubrimientos pueden afectar las tolerancias y el rendimiento.
• La ingeniería de superficies (nitruración, recubrimientos PVD, recubrimientos cerámicos o DLC) se utiliza comúnmente para mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de la superficie.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) solo tiene sentido para las aleaciones inoxidables; por ejemplo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice no se aplica a H11/H13 porque no son aceros para herramientas inoxidables.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• En estado recocido, ambas calidades son mecanizables con herramientas estándar de acero rápido o de carburo. La aleación H13, con un contenido ligeramente mayor de molibdeno y más carburos secundarios, puede ser un poco más abrasiva para las herramientas y reducir su vida útil en comparación con la aleación H11 en condiciones equivalentes.
• Una vez endurecidos, ambos materiales son difíciles de mecanizar; el mecanizado por electroerosión, el rectificado y el mecanizado abrasivo son métodos de acabado típicos.
• Formabilidad:
• El conformado en caliente (forjado) es una práctica habitual para matrices de gran tamaño. Ambos procesos responden bien al trabajo en caliente cuando se utilizan temperaturas y velocidades de deformación adecuadas.
• El conformado en frío está limitado debido al contenido de carbono y al riesgo de agrietamiento.
• Refinamiento:
• Ambos materiales admiten tratamientos de endurecimiento superficial (nitruración, endurecimiento por inducción en zonas específicas) y recubrimientos PVD/CVD. La mayor resistencia al revenido del H13 lo convierte en una plataforma ligeramente superior para recubrimientos utilizados a temperaturas elevadas.

8. Aplicaciones típicas

H13 – Usos típicos	H11 – Usos típicos
Matrices de forja en caliente (forja por prensado, forja con matriz) donde la fatiga térmica y la dureza en caliente son críticas	Matrices y herramientas de forja por estampación de gran tamaño donde se prioriza la tenacidad a la fractura y la resistencia al impacto mecánico.
Herramientas de fundición a presión e insertos de núcleo (alta fatiga térmica, dureza en rojo)	Matrices grandes y de sección gruesa para forja en entornos con alto riesgo de astillamiento y propagación de grietas.
Matrices de extrusión y cuchillas de corte expuestas a temperaturas elevadas	Revestimientos y herramientas para operaciones con riesgo de impacto; aplicaciones donde la reparabilidad y la resistencia de las herramientas son importantes.
Moldes para trabajo en caliente de plástico y caucho sometidos a ciclos térmicos elevados	Aplicaciones que requieren mayor resistencia a la rotura frágil catastrófica

Justificación de la selección: - Elija H13 cuando la exposición repetida a altas temperaturas, los ciclos térmicos y la resistencia al ablandamiento (resistencia al revenido) sean las principales preocupaciones. - Elija H11 cuando el servicio incluya impactos mecánicos fuertes, secciones transversales grandes propensas a tensiones internas o cuando la prioridad sea maximizar la tenacidad a la fractura del material.

9. Costo y disponibilidad

• Costo: El H13 se produce y almacena ampliamente a nivel mundial; su mayor contenido de molibdeno puede encarecerlo ligeramente en comparación con el H11 por kilogramo, pero el precio depende del proveedor y del mercado. El H11 puede ser marginalmente más económico donde la disponibilidad y el suministro local lo favorezcan.
• Disponibilidad por formato de producto:
• Barras, bloques, placas, piezas forjadas y placas preendurecidas están disponibles para ambos grados. El H13 es quizás el grado para trabajo en caliente más común a nivel mundial, por lo que los plazos de entrega y la variedad de formas suelen ser mejores para este material.
• Para piezas forjadas personalizadas de gran tamaño, los plazos de entrega dependen más del tratamiento térmico y de las forjas que de la calidad del material base.

10. Resumen y recomendación

Criterio	H13	H11
Soldabilidad (relativa)	Dificultad moderada a alta (requiere precalentamiento, PWHT)	Moderado (un poco más fácil que H13, pero aún requiere atención)
Resistencia – Dureza en caliente	Alta (mejor dureza en rojo, resistencia al templado)	Buena (resistencia ligeramente inferior a temperaturas elevadas)
Resistencia – Resistencia a los golpes/astilladuras	Bien	Mejor (generalmente mayor tenacidad a la fractura en masa)
Costo	Moderado a alto (debido al contenido de Mo)	Moderado-bajo (a menudo ligeramente más barato)

Recomendaciones: - Elija H13 si: - Sus herramientas funcionan a temperaturas elevadas durante ciclos prolongados y necesitan una buena dureza en caliente y resistencia al ablandamiento térmico (por ejemplo, fundición a presión, extrusión, cizallamiento en caliente). - La fatiga térmica y la resistencia al ablandamiento bajo calentamiento cíclico son los principales modos de fallo. - Elija H11 si: - La herramienta o matriz está sometida a fuertes impactos mecánicos, o donde la principal preocupación es evitar la fractura frágil y el astillamiento (matrices de forja grandes, herramientas propensas a impactos). - Se prioriza la tenacidad a la fractura y la facilidad de reparación por encima de la máxima retención de dureza a altas temperaturas.

Nota final: El rendimiento práctico de ambos grados depende en gran medida de la calidad del suministro, la limpieza, el procesamiento termomecánico previo y el programa exacto de tratamiento térmico. Para utillaje crítico, especifique la tenacidad requerida, el rango de dureza aceptable y cualquier tratamiento térmico posterior a la soldadura en los documentos de adquisición y consulte con los proveedores de acero para obtener las certificaciones de fábrica y los ciclos térmicos recomendados adaptados a la aplicación.