S7 vs D2 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

El S7 y el D2 son dos aceros para herramientas de uso común que los ingenieros y profesionales de compras comparan frecuentemente al especificar herramientas, piezas de desgaste y componentes expuestos a impactos o desgaste abrasivo. Las decisiones típicas incluyen elegir entre mayor tenacidad para cargas de choque frente a mayor dureza y resistencia al desgaste para contacto abrasivo o deslizante, o equilibrar la maquinabilidad y el costo con el rendimiento en servicio.

La principal diferencia práctica radica en que una calidad está optimizada para la resistencia al impacto y la tenacidad, mientras que la otra lo está para una alta dureza y resistencia al desgaste. Dado que ambas se utilizan en herramientas para trabajo en frío, los diseñadores deben sopesar las ventajas y desventajas en cuanto a contenido de aleación, respuesta al tratamiento térmico, maquinabilidad, soldabilidad y coste del ciclo de vida al elegir entre S7 y D2.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones comunes que se encuentran comercialmente:
• Designaciones AISI/SAE y ASTM más antiguas: AISI S7, AISI D2 (a menudo utilizadas en América del Norte).
• EN/Europeo: se pueden dar equivalentes como 1.2379 (para D2) y números EN similares para aceros tipo S (los equivalentes exactos deben verificarse por proveedor).
• JIS/GB: existen equivalentes regionales, pero varían; confirme con los certificados de fábrica.
• Clasificación:
• S7 — acero para herramientas resistente a los golpes (acero para herramientas de aleación diseñado para resistir impactos y choques).
• D2 — acero para herramientas de endurecimiento al aire con alto contenido de carbono y cromo (acero para herramientas de trabajo en frío con alta resistencia al desgaste).
• Ni S7 ni D2 son grados de acero inoxidable (D2 tiene un alto contenido de cromo pero no se considera inoxidable en el sentido de resistente a la corrosión).

2. Composición química y estrategia de aleación

Los rangos de composición típicos que se muestran a continuación son rangos de % en peso "típicos" representativos que se encuentran en las hojas de datos comerciales; consulte siempre la certificación específica del fabricante/proveedor para obtener valores precisos.

Elemento	S7 típico (en peso %)	D2 típico (en peso %)
do	0,45–0,55	1.40–1.60
Minnesota	0,20–0,50	0,30–0,60
Si	0,20–0,45	0,10–1,00
PAG	≤0,030 (traza)	≤0,030 (traza)
S	≤0,030 (traza)	≤0,030 (traza)
Cr	0,80–1,50	11.0–13.0
Ni	≤0,30	≤0.40
Mes	0–0,50 (pequeño o ausente)	0,70–1,20
V	pequeño (traza–0,30)	0,60–1,10
Nb (Cb)	típicamente ninguno	Normalmente ninguna o trazas
Ti	típicamente ninguno	Normalmente ninguna o trazas
B	típicamente ninguno	típicamente ninguno
norte	rastro	rastro

Cómo afecta la aleación a las propiedades - Carbono: El alto contenido de carbono del D2 permite una alta fracción de volumen de carburos duros y una dureza muy alta; el contenido moderado de carbono del S7 equilibra la dureza y la ductilidad para lograr tenacidad. - Cromo: El alto contenido de Cr del D2 aumenta la templabilidad y forma carburos ricos en cromo para mayor resistencia al desgaste; el contenido moderado de Cr del S7 ayuda a la templabilidad y a la respuesta al revenido sin una formación excesiva de carburos. - Molibdeno y vanadio: En D2, el Mo y el V estabilizan los carburos y contribuyen a la resistencia al revenido a altas temperaturas y al desgaste. S7 puede utilizar pequeñas cantidades de Mo o V para refinar el grano y mejorar la templabilidad, pero en niveles mucho más bajos. - Los elementos minoritarios (Mn, Si) influyen en la desoxidación, la templabilidad y el comportamiento del temple.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura (típica después de tratamientos térmicos comunes) - S7: La microestructura típica tras un temple y revenido adecuados es una matriz martensítica revenida con relativamente pocos carburos finos. El acero S7 está diseñado para conservar una martensita dúctil y tenaz, y minimiza la presencia de carburos grandes y duros que actúan como iniciadores de grietas. - D2: La estructura típica es una matriz de martensita revenida que contiene una cantidad significativa de carburos estables ricos en cromo (principalmente carburos de tipo M7C3 y M23C6, junto con carburos de vanadio y molibdeno). Estos carburos proporcionan una alta resistencia al desgaste, pero reducen la tenacidad.

comportamiento durante el tratamiento térmico - S7: Responde bien a los ciclos convencionales de temple y revenido. Normalmente se templa en aceite desde una temperatura de austenización adecuada y luego se revene hasta alcanzar la dureza objetivo para optimizar la tenacidad. El normalizado previo al endurecimiento se utiliza para refinar el grano y homogeneizar la microestructura en secciones grandes. - D2: Es un acero para herramientas de endurecimiento al aire (alta aleación), que suele precalentarse y luego someterse a un enfriamiento rápido al aire, en una o varias etapas, desde la temperatura de austenización. Debido a su alto contenido en cromo y carbono, el D2 desarrolla un gran volumen de carburos duros y alcanza una alta dureza con menor distorsión en comparación con los aceros templados en agua o aceite. Se puede utilizar un doble revenido o un tratamiento criogénico para reducir la austenita retenida y estabilizar la dureza.

Procesamiento termomecánico - El acero S7 se beneficia de un forjado y normalizado controlados para refinar el tamaño del grano y mejorar la resistencia al impacto para aplicaciones de choque. - El D2 se beneficia de un procesamiento térmico preciso para controlar la distribución de carburos; la deformación severa previa al tratamiento térmico requiere cuidadosos pasos de recuperación/recristalización para evitar carburos gruesos.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de los aceros para herramientas dependen en gran medida del tratamiento térmico. La tabla siguiente muestra rangos comparativos típicos en lugar de valores absolutos para reflejar esta dependencia.

Propiedad	S7 (rango condicionado típico)	D2 (rango condicionado típico)
Dureza (HRC)	~45–56 (dependiendo del temperamento)	~56–64 (dureza máxima alcanzable superior)
Resistencia a la tracción (MPa)	De moderado a alto (tratado térmicamente)	Alto (depende de la dureza)
Límite elástico (MPa)	Moderado	Mayor a dureza equivalente
Alargamiento (%)	Mayor (mejor ductilidad)	Menor (menos dúctil)
Resistencia al impacto (J o ft·lb)	Relativamente alta (diseñada para resistir impactos)	De baja a moderada (tenacidad reducida debido a los carburos)

Interpretación - Resistencia y dureza: El D2 generalmente alcanza una mayor dureza y, por lo tanto, una mayor resistencia al desgaste; el S7 alcanza una dureza máxima menor, pero proporciona un mejor equilibrio entre resistencia y ductilidad. - Tenacidad y ductilidad: El S7 es significativamente más tenaz y más dúctil que el D2 con una dureza comparable tras tratamiento térmico, lo que hace que el S7 sea preferible cuando el impacto o la carga de choque es el modo de fallo principal. - Desgaste frente a fractura: El D2 resiste considerablemente mejor el desgaste abrasivo y adhesivo debido a la abundancia de carburos, pero es más susceptible a la fractura frágil bajo impacto o sobrecarga de tracción.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del equivalente de carbono, la templabilidad y la susceptibilidad al agrietamiento durante la soldadura.

Índices útiles de soldabilidad (solo para uso cualitativo): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Instituto 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 - S7: Su contenido moderado de carbono y menor aleación general resultan en un equivalente de carbono inferior al de D2 en muchos casos, por lo que S7 suele ser más fácil de precalentar y soldar (con los procedimientos adecuados). Sin embargo, los procedimientos de soldadura deben controlar la temperatura entre pasadas, el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura para evitar fisuras, ya que el metal base puede formar martensita dura en la zona afectada por el calor. - D2: Su alto contenido en carbono y cromo produce un alto equivalente de carbono y una fuerte tendencia a formar microestructuras duras y quebradizas en la zona afectada por el calor. Se considera que el acero D2 es difícil de soldar; la práctica habitual es evitar la soldadura siempre que sea posible o utilizar procedimientos especializados (precalentamiento prolongado, baja entrada de calor, revenido posterior a la soldadura) o bien emplear soldadura fuerte o unión mecánica.

En resumen, S7 es más soldable que D2, pero ambos requieren procedimientos controlados; D2 frecuentemente requiere estrategias de unión alternativas a la soldadura.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el S7 ni el D2 son aceros inoxidables resistentes a la corrosión. El D2 contiene un alto contenido de cromo (≈12%), lo que le confiere una mayor resistencia a la corrosión atmosférica general en comparación con los aceros de bajo contenido de cromo, pero aun así se corroerá en ambientes agresivos.
• Métodos de protección: Para garantizar la vida útil y la apariencia, ambos grados suelen recibir protección superficial mediante pintura, chapado, fosfatado o galvanizado (según la geometría de la pieza y la tolerancia requerida). Para herramientas en ambientes húmedos o corrosivos, puede ser preferible aplicar recubrimientos superficiales (PVD, CVD, nitruración para protección contra el desgaste y la corrosión) o utilizar aceros inoxidables.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros para herramientas no inoxidables, pero a modo de referencia: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice se utiliza para aleaciones inoxidables; no predice de manera significativa el comportamiento ante la corrosión de los aceros para herramientas D2 o S7.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• S7: Más fácil de mecanizar en estado recocido que el D2 debido a su menor contenido de carburo. Se mecaniza bien antes del endurecimiento; se requiere mecanizado o rectificado posterior al endurecimiento para obtener las tolerancias finales.
• D2: La maquinabilidad en estado recocido es aceptable, pero peor que la de muchos aceros de baja aleación debido al alto contenido de cromo y elementos formadores de carburos; en estado endurecido, el D2 es difícil de mecanizar y generalmente debe rectificarse en lugar de cortarse.
• Formabilidad y flexión:
• Ambas calidades son trabajables tras el recocido, pero el conformado en frío después del endurecimiento no es viable para ninguna de ellas. La mayor ductilidad de la aleación S7 en estado templado le confiere una mayor resistencia al agrietamiento durante las operaciones de conformado.
• Refinamiento:
• El D2 normalmente requiere rectificado para la geometría final y puede requerir un acondicionamiento de la muela más frecuente debido a los carburos duros.
• El S7 es menos abrasivo para las herramientas y se acaba con mayor facilidad.

8. Aplicaciones típicas

S7 – Usos típicos	D2 – Usos típicos
Herramientas de impacto: cinceles, punzones, cabezas de martillo, brocas de pala, punzones sometidos a cargas de choque.	Troqueles para trabajo en frío: troqueles de troquelado y perforación, cuchillas de corte, cuchillas de ranurar.
Herramientas que requieren alta resistencia: brocas para perforación de roca, herramientas para forjado en frío, herramientas de remachado.	Herramientas críticas para el desgaste: matrices para el corte de materiales abrasivos y operaciones de conformado donde predomina el desgaste.
Componentes que pueden ser reelaborados o reparados mediante soldadura o soldadura fuerte con mayor facilidad	Herramientas y fresas de larga duración donde la alta dureza y resistencia al desgaste prolongan la vida útil a pesar de la fragilidad.
Herramientas de uso general que requieren buena resistencia a los impactos y un desgaste razonable.	Herramientas de precisión y aplicaciones de corte que requieren una retención de filo sostenida

Justificación de la selección - Elija S7 cuando las piezas experimenten golpes, impactos o flexiones repetidas, o requieran resistencia y reparabilidad en servicio. - Elija D2 cuando la resistencia al desgaste de la superficie y los bordes domine el modo de falla y se pueda tolerar una alta dureza (y si las piezas se rectificarán en lugar de soldarse).

9. Costo y disponibilidad

• Costo: El D2 suele ser más caro que el S7 por unidad de masa debido a su mayor aleación (Cr, Mo, V) y a un procesamiento más exigente; sin embargo, el costo del ciclo de vida puede favorecer al D2 cuando la extensión de la vida útil de la herramienta reduce el tiempo de inactividad y la frecuencia de reemplazo.
• Disponibilidad: Ambos grados se encuentran ampliamente disponibles en proveedores de acero para herramientas en forma de barras, placas y pletinas preendurecidas. El D2 es común en tiras y piezas preendurecidas para utillaje, mientras que el S7 se suele encontrar en barras y diámetros redondos para componentes resistentes a impactos.
• Formatos del producto: Para piezas complejas o de gran tamaño, los plazos de entrega y el formato de la materia prima (forjado o en barra) pueden influir significativamente en el coste.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen

Característica	S7	D2
soldabilidad	Mejor (moderado; aún requiere control)	Mala calidad (alta CE; difícil de soldar)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta tenacidad, buena resistencia al impacto	Mayor dureza y resistencia al desgaste, menor tenacidad
Costo	Moderado	Mayor (mayor contenido de aleación)

Conclusiones y recomendaciones - Elige S7 si: - Su principal modo de fallo es el impacto, el choque o la fractura frágil, y necesita un grado que tolere la desalineación, las cargas de choque o la sobrecarga ocasional. - Valoras la reparabilidad (soldadura/brazado) y la facilidad de manipulación posterior al tratamiento térmico. - Se necesita un equilibrio entre resistencia y ductilidad para eventos intermitentes de alta tensión.

• Elija D2 si:
• Su necesidad principal es la resistencia a la abrasión, al desgaste por deslizamiento o a la retención del filo en las herramientas de trabajo en frío, y la larga vida útil de la herramienta en condiciones de desgaste es la máxima prioridad.
• Usted está preparado para especificar reparaciones mediante esmerilado o sin soldadura y puede controlar la fabricación para evitar soldaduras o minimizar la entrada de calor.
• El coste del ciclo de vida favorece un mayor coste inicial de materiales y procesamiento a cambio de una mayor vida útil en servicio.

Nota final: La elección óptima depende del contexto. Especifique el tipo de carga previsto (impacto o desgaste), la estrategia de mantenimiento/reparación permitida, el enfoque de tolerancia dimensional (mecanizado o rectificado) y la exposición ambiental para garantizar que el acero seleccionado y su tratamiento térmico cumplan con los requisitos funcionales. Confirme siempre las propiedades químicas y mecánicas con los certificados de fábrica del proveedor o las normas de materiales antes de la especificación final.