H13 frente a SKD61: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

El H13 y el SKD61 son dos de los aceros para herramientas de trabajo en caliente más utilizados en matrices, moldes y componentes expuestos a altas temperaturas, ciclos térmicos y desgaste abrasivo. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen enfrentarse a la decisión entre estos grados al especificar el material para matrices de forja en caliente, herramientas de fundición a presión, matrices de extrusión y equipos de corte en caliente. La decisión a menudo implica un equilibrio entre la templabilidad, la resistencia al revenido y el comportamiento ante la fatiga térmica, teniendo en cuenta la disponibilidad, el coste y las convenciones de nomenclatura locales.

La principal diferencia radica en la nomenclatura y el origen de las normas: H13 es la designación de estilo AISI/ASTM comúnmente utilizada en Norteamérica y Europa, mientras que SKD61 es la designación JIS (Norma Industrial Japonesa). Metalúrgicamente, son aceros para herramientas de trabajo en caliente de cromo-molibdeno-vanadio funcionalmente equivalentes, con composiciones químicas y propiedades muy similares, pero la selección puede verse influenciada por márgenes de composición ligeramente permitidos, prácticas locales de tratamiento térmico y disponibilidad en la cadena de suministro.

1. Normas y designaciones

• AISI/SAE / ASTM: H13 — designación occidental común para acero para herramientas de trabajo en caliente.
• JIS: SKD61 — Designación japonesa para el equivalente H13.
• DIN / EN: incluidos en la lista de aceros para herramientas de trabajo en caliente (tipos cromo-molibdeno-vanadio); se utilizan comúnmente como referencia en las especificaciones y normas europeas para aceros para herramientas.
• GB (China): disponible bajo las normas nacionales chinas para acero para herramientas de trabajo en caliente con rangos químicos equivalentes.
• ISO: referenciado en las clasificaciones internacionales de aceros para herramientas como grado Cr-Mo-V para trabajo en caliente.

Clasificación: tanto el H13 como el SKD61 son aceros para herramientas (aceros para herramientas de trabajo en caliente). Son aceros aleados con adiciones intencionales de Cr, Mo y V para proporcionar templabilidad, resistencia al revenido y resistencia al desgaste para servicio a altas temperaturas.

2. Composición química y estrategia de aleación

Ambos grados son esencialmente equivalentes en cuanto a su composición: carbono medio con adiciones moderadas de Cr, Mo y V para mejorar la templabilidad, la resistencia al revenido y el endurecimiento secundario. La tabla siguiente muestra los rangos de composición típicos que se encuentran habitualmente en las normas y las fichas técnicas de los proveedores.

Elemento	H13 típico (en peso %)	SKD61 típico (en peso %)
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	≤ 0,030	≤ 0,030
S	≤ 0,030	≤ 0,030
Cr	4,75 – 5,50	4,75 – 5,50
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mes	1.10 – 1.75	1.10 – 1.75
V	0,80 – 1,20	0,80 – 1,20
Nb/Ti/B/N	traza / normalmente controlado	traza / normalmente controlado

Cómo afecta la aleación al rendimiento: - Carbono: controla la templabilidad y la dureza máxima; un mayor contenido de C aumenta la dureza y la resistencia al desgaste, pero reduce la tenacidad y la soldabilidad. - Cromo: aumenta la templabilidad, la resistencia al desgaste y la resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas. - Molibdeno: mejora la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas (resistencia al revenido). - Vanadio: refina los carburos y el tamaño del grano, mejorando la resistencia al desgaste y la tenacidad. - Silicio y manganeso: modificadores de la desoxidación y la resistencia; un exceso de Mn puede formar fases frágiles si no se controla.

En las fundiciones modernas pueden estar presentes microaleaciones menores y elementos traza (Nb, Ti, B) para controlar el tamaño del grano y mejorar el endurecimiento total; estos suelen estar estrictamente controlados por cada norma y molino.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - Laminado en caliente/normalizado: matriz martensítica templada con carburos de aleación dispersos y posible austenita retenida dependiendo del procesamiento. Tras el temple y revenido: martensita revenida con carburos de aleación (carburos de Cr, Mo y V) distribuidos uniformemente. El endurecimiento secundario debido a la precipitación de carburos durante el revenido es una característica clave para la resistencia al revenido a altas temperaturas.

Rutas y efectos del tratamiento térmico: - Normalización: refina el tamaño del grano de austenita previo y reduce la segregación; típico para piezas forjadas grandes y para producir una estructura inicial uniforme antes del endurecimiento. Temple (en aceite o al vacío): austenizar (normalmente entre 1000 y 1050 °C, según el tamaño de la sección y la norma), y luego templar para lograr la transformación martensítica. Tanto el H13 como el SKD61 responden de forma similar; un precalentamiento adecuado y un enfriamiento controlado minimizan la distorsión y el agrietamiento. - Revenido: múltiples ciclos de revenido (generalmente 2-3) a temperaturas elevadas (p. ej., 500-600 °C) para lograr la dureza y tenacidad requeridas. Ambos grados presentan endurecimiento secundario; la selección de la temperatura de revenido busca un equilibrio entre dureza, tenacidad y resistencia a la fatiga térmica. - Procesamiento termomecánico: el forjado en caliente seguido de una normalización controlada mejora la tenacidad al impacto y reduce la segregación; el tratamiento térmico final optimiza las propiedades.

Debido a que las composiciones químicas son muy similares, la evolución de la microestructura y la respuesta al tratamiento térmico son prácticamente intercambiables, aunque las prácticas de tratamiento térmico de cada proveedor y los efectos del tamaño de la muestra pueden producir diferencias apreciables en las propiedades finales.

4. Propiedades mecánicas

Se muestran los rangos típicos de propiedades mecánicas para condiciones de temple y revenido comúnmente utilizadas en herramientas (los valores son indicativos; especifique el tratamiento térmico exacto y el estándar de prueba al adquirir el material).

Propiedad	H13 típico (templado y revenido)	SKD61 típico (templado y revenido)
Resistencia a la tracción (Rm)	1100 – 1600 MPa	1100 – 1600 MPa
Límite elástico (Rp0.2)	900 – 1400 MPa	900 – 1400 MPa
Alargamiento (A%)	6 – 12%	6 – 12%
Resistencia al impacto (prueba Charpy con muesca en V)	10 – 40 J (depende de la dureza/tratamiento térmico)	10 – 40 J (depende de la dureza/tratamiento térmico)
Dureza (HRC)	40 – 55 HRC (rango de producción típico)	40 – 55 HRC (rango de producción típico)

¿Cuál es más fuerte, más resistente o más dúctil? Ninguno de los dos grados presenta una ventaja intrínseca en cuanto a resistencia; ambos están diseñados para ofrecer dureza a altas temperaturas y resistencia al revenido. La resistencia y la tenacidad finales dependen en gran medida del contenido exacto de carbono, la temperatura del tratamiento térmico, el régimen de revenido y el tamaño de la sección. La tenacidad generalmente disminuye al aumentar la dureza (una temperatura de revenido más alta reduce la dureza pero aumenta la tenacidad). Ambos grados presentan la misma relación inversa. - En la práctica, las diferencias en tenacidad o ductilidad entre H13 y SKD61 suelen estar dentro de la variabilidad del proceso y de la colada a colada, más que ser inherentes a una designación particular.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de los aceros para herramientas de trabajo en caliente está limitada por el contenido de carbono y la templabilidad. Consideraciones clave: - Equivalente de carbono: valores más altos de C, Cr, Mo y V aumentan la templabilidad y la susceptibilidad al agrietamiento en la ZAT. - Utilice precalentamiento, control de temperatura entre pasadas y revenido posterior a la soldadura para minimizar el agrietamiento y el agrietamiento en frío inducido por hidrógeno.

Índices comunes de soldabilidad: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Índice Pcm (Boehler): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación (cualitativa): - Tanto el H13 como el SKD61 presentan valores similares de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ debido a composiciones químicas casi idénticas; ambos se consideran de dificultad moderada a alta para soldar sin un procedimiento especial. - Práctica recomendada: precalentamiento controlado (a menudo de 150 a 300 °C según el espesor), consumibles con bajo contenido de hidrógeno, temperatura entre pasadas controlada, granallado si es necesario y alivio de tensiones/templado posterior a la soldadura para restaurar el temple y aliviar las tensiones residuales. - La soldadura se utiliza normalmente para reparaciones menores; para herramientas críticas, a menudo es preferible soldar solo en secciones que serán tratadas térmicamente y templadas después de la soldadura para restaurar sus propiedades.

6. Corrosión y protección de superficies

• Los aceros H13 y SKD61 no son inoxidables; su resistencia a la corrosión es limitada. La selección debe considerar la protección de la superficie y el entorno.
• Estrategias de protección de superficies:
• Recubrimientos protectores (PVD/CVD) para la reducción del desgaste, no solo para la corrosión.
• El galvanizado no suele ser aplicable a las herramientas de acero para herramientas debido a problemas de temperatura y adherencia.
• Pintura, aceitado o transformaciones de tipo cromato para la protección durante el almacenamiento.
• La nitruración localizada o el endurecimiento superficial pueden mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de la superficie cuando sea apropiado; tenga en cuenta que la nitruración cambia la química de la superficie y puede afectar el comportamiento a la fatiga.
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) se aplica a los grados de acero inoxidable: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Esto no es aplicable para H13/SKD61 porque no son aceros para herramientas inoxidables y no dependen del contenido de Cr para la formación de la película de corrosión pasiva de la misma manera que lo hacen las aleaciones inoxidables.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: en estado recocido/ablandado, estos aceros son mecanizables con herramientas de carburo; las velocidades de corte y los avances deben ser conservadores en comparación con los aceros de baja aleación. El acero H13/SKD61 endurecido requiere herramientas de carburo o cerámica de alto rendimiento.
• Rectificado y electroerosión: ambos grados responden bien al rectificado en taller de herramientas y a la electroerosión; la electroerosión se utiliza comúnmente para la generación y modificación de cavidades complejas.
• Conformado/doblado: limitado cuando está endurecido; en estado blando son posibles los procesos estándar de conformado en caliente y en frío, pero se debe considerar la recuperación elástica y el endurecimiento por deformación.
• Acabado superficial: gracias a los carburos de aleación, es posible lograr un pulido fino con acabados de espejo, pero puede requerir abrasivos especializados y tiempos de ciclo más prolongados.

8. Aplicaciones típicas

H13 (AISI) — Usos típicos	SKD61 (JIS) — Usos típicos
Matrices de fundición a presión para trabajo en caliente (aluminio, zinc)	Troqueles de fundición a presión para trabajo en caliente
Troqueles de forja (forja por estampación, forja por recalcado)	Matrices de forja y herramientas de extrusión en caliente
Matrices de extrusión para aleaciones de alta temperatura	Herramientas de extrusión y cuchillas de corte en caliente
troqueles de estampado en caliente	Troqueles de estampado y conformado en caliente
Moldes de inyección de plástico para polímeros de alta temperatura (usos seleccionados)	Moldes para el procesamiento de plásticos de ingeniería y compuestos

Justificación de la selección: Elija estas calidades cuando las herramientas deban resistir la deformación plástica, mantener la dureza a altas temperaturas y resistir la fatiga térmica. La elección entre H13 y SKD61 suele depender de las especificaciones regionales o la disponibilidad del proveedor, más que de las diferencias en el rendimiento del material.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: H13 y SKD61 tienen costes de materia prima comparables; el precio de mercado varía según la región, la fábrica y el formato de suministro (barra redonda, placa, bloque forjado, placa preendurecida). SKD61 puede ser más fácil de encontrar en Asia; la denominación H13 puede ser más común en Norteamérica y Europa.
• Disponibilidad: ambas calidades se producen ampliamente y están disponibles en múltiples fábricas en diversas formas, incluyendo barras, placas, forjados y piezas preendurecidas. Los plazos de entrega dependen del tamaño y del estado del tratamiento térmico.
• Economías de escala: la compra de barras de tamaño estándar o placas preendurecidas suele reducir los costes en comparación con las piezas forjadas a medida o los bloques templados y revenidos en lotes pequeños.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen — comparación cualitativa

Atributo	H13	SKD61
soldabilidad	De dificultad moderada a alta (requiere procedimiento)	De dificultad moderada a alta (requiere procedimiento)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta resistencia con buena resistencia al revenido; contrapartida a una mayor dureza con menor tenacidad.	Equivalente: alta resistencia y resistencia al revenido, con ventajas e inconvenientes similares.
Coste y disponibilidad	Ampliamente disponible en América y Europa; nombre de especificación común	Ampliamente disponible en Asia; nombre común de especificación JIS

Conclusiones y recomendaciones prácticas: - Elija H13 si está especificando la nomenclatura AISI/ASTM, si se abastece de proveedores o fábricas que cotizan el material como H13, o si las herramientas se fabricarán y mantendrán en regiones donde H13 es el término estándar. - Elija SKD61 si trabaja con especificaciones basadas en JIS, se abastece de proveedores asiáticos o si sus órdenes de compra y documentación de calidad hacen referencia a SKD61 como grado contractual. Para las decisiones críticas sobre herramientas, céntrese en: tolerancias exactas de composición, instrucciones específicas de tratamiento térmico (programas de austenización y revenido), objetivos de dureza y tenacidad requeridos, y criterios claros de aceptación mecánica o no destructiva. Dado que H13 y SKD61 son metalúrgicamente equivalentes, asegúrese de que el departamento de compras enfatice las condiciones del tratamiento térmico, la trazabilidad y las certificaciones de fábrica, en lugar de solo la denominación del grado.

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