Acero al carbono para herramientas: propiedades y aplicaciones clave

El acero al carbono para herramientas es una categoría de acero compuesta principalmente de carbono y se utiliza para la fabricación de herramientas y matrices. Se clasifica como un acero con alto contenido de carbono, con un contenido típico de entre el 0,5 % y el 1,5 % de carbono, lo que mejora significativamente su dureza y resistencia al desgaste. El principal elemento de aleación del acero al carbono para herramientas es el propio carbono, que desempeña un papel crucial en la determinación de la dureza, la resistencia y el rendimiento general del acero.

Descripción general completa

Los aceros al carbono para herramientas son conocidos por su excelente dureza y capacidad para mantener el filo, lo que los hace ideales para herramientas de corte, matrices y otras aplicaciones donde la resistencia al desgaste es crucial. Su alto contenido de carbono contribuye a la formación de microestructuras duras, como la martensita, al someterse a tratamientos térmicos como el temple y el revenido.

Ventajas:
- Alta dureza: Los aceros para herramientas al carbono pueden alcanzar altos niveles de dureza, lo que los hace adecuados para herramientas de corte y modelado.
- Resistencia al desgaste: La resistencia al desgaste de estos aceros es superior, lo que les permite soportar condiciones abrasivas.
- Rentabilidad: generalmente, los aceros para herramientas al carbono son más económicos en comparación con los aceros para herramientas de aleación, lo que los convierte en una opción popular para muchas aplicaciones.

Limitaciones:
- Fragilidad: Un alto contenido de carbono puede provocar fragilidad, haciendo que el acero sea susceptible a agrietarse por impacto.
- Tenacidad limitada: en comparación con otros aceros para herramientas, los aceros para herramientas al carbono pueden presentar una tenacidad menor, lo que puede ser una desventaja en ciertas aplicaciones.
- Susceptibilidad a la corrosión: Los aceros para herramientas al carbono son propensos a oxidarse si no se mantienen adecuadamente, ya que carecen de elementos de aleación que mejoren la resistencia a la corrosión.

Históricamente, los aceros al carbono para herramientas han sido fundamentales en el desarrollo de herramientas y maquinaria industrial, con aplicaciones que abarcan desde herramientas manuales hasta componentes complejos de maquinaria. Su posición en el mercado se mantiene sólida gracias a su excelente relación calidad-precio.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	T1	EE.UU	Acero para herramientas de alta velocidad, propiedades similares
AISI/SAE	AISI D2	EE.UU	Acero para herramientas con alto contenido de carbono y cromo
ASTM	A681	EE.UU	Especificación para aceros para herramientas
ES	1.2379	Europa	Equivalente a AISI D2, alta resistencia al desgaste.
JIS	SKD11	Japón	Similar al D2, con pequeñas diferencias de composición.
ESTRUENDO	X153CrMoV12	Alemania	Acero para herramientas con alto contenido de carbono, cromo y molibdeno.

Las diferencias entre grados equivalentes pueden ser sutiles, pero significativas. Por ejemplo, si bien AISI D2 y JIS SKD11 suelen considerarse equivalentes, SKD11 puede presentar características de tenacidad y resistencia al desgaste ligeramente diferentes debido a sus elementos de aleación específicos.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	0,5 - 1,5
Mn (manganeso)	0,3 - 0,9
Si (silicio)	0,1 - 0,4
Cr (cromo)	0,5 - 1,5
Mo (molibdeno)	0,1 - 0,5
P (Fósforo)	≤ 0,03
S (Azufre)	≤ 0,03

La función principal del carbono en el acero al carbono para herramientas es mejorar la dureza y la resistencia mediante la formación de microestructuras duras durante el tratamiento térmico. El manganeso mejora la templabilidad y la tenacidad, mientras que el cromo y el molibdeno contribuyen a la resistencia al desgaste y la estabilidad a temperaturas elevadas.

Propiedades mecánicas

Propiedad	Condición/Temperamento	Temperatura de prueba	Valor/rango típico (métrico)	Valor/rango típico (imperial)	Norma de referencia para el método de prueba
Resistencia a la tracción	Templado y revenido	Temperatura ambiente	700 - 900 MPa	101,5 - 130 ksi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	600 - 800 MPa	87 - 116 ksi	ASTM E8
Alargamiento	Templado y revenido	Temperatura ambiente	5 - 10%	5 - 10%	ASTM E8
Dureza (HRC)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	58 - 65 HRC	58 - 65 HRC	ASTM E18
Resistencia al impacto (Charpy)	Templado y revenido	-20°C	20 - 30 J	14,8 - 22,1 pies-lbf	ASTM E23

La combinación de alta resistencia a la tracción y al límite elástico, junto con una dureza considerable, hace que el acero al carbono para herramientas sea adecuado para aplicaciones que implican altas cargas mecánicas y desgaste, como herramientas de corte y matrices. Sin embargo, los valores de elongación más bajos indican una tendencia a la fragilidad, lo cual debe considerarse en el diseño.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (métrico)	Valor (Imperial)
Densidad	Temperatura ambiente	7,85 g/cm³	0,284 lb/pulgada³
Punto/rango de fusión	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Conductividad térmica	Temperatura ambiente	45 W/m·K	31,2 BTU·pulgada/h·pie²·°F
Capacidad calorífica específica	Temperatura ambiente	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Resistividad eléctrica	Temperatura ambiente	0,0006 Ω·m	0,0004 Ω·pulgada

La densidad del acero al carbono para herramientas indica que es un material robusto, mientras que su punto de fusión sugiere una buena estabilidad térmica. Su conductividad térmica es moderada, lo que favorece la disipación del calor en aplicaciones de corte. Su capacidad calorífica específica es relativamente baja, lo que indica que se calienta rápidamente, lo cual puede ser ventajoso en los procesos de mecanizado.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C)	Clasificación de resistencia	Notas
Agua	0 - 100	20	Pobre	Propenso a oxidarse sin protección
Ácidos (HCl)	0 - 10	20	Pobre	Susceptible a la corrosión por picaduras
Álcalis	0 - 10	20	Justo	Resistencia limitada, requiere recubrimientos.
cloruros	0 - 5	20	Pobre	Riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión

El acero al carbono para herramientas presenta una baja resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes húmedos o expuesto a condiciones ácidas o cloradas. Esta susceptibilidad requiere recubrimientos protectores o un mantenimiento regular para prevenir la oxidación. En comparación con los aceros inoxidables, como el AISI 304, que ofrecen una excelente resistencia a la corrosión, los aceros al carbono para herramientas son menos adecuados para aplicaciones con exposición a ambientes corrosivos.

Resistencia al calor

Propiedad/Límite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observaciones
Temperatura máxima de servicio continuo	200	392	Más allá de esto, las propiedades se degradan.
Temperatura máxima de servicio intermitente	300	572	Sólo exposición a corto plazo
Temperatura de escala	500	932	Riesgo de oxidación más allá de esto

A temperaturas elevadas, el acero al carbono para herramientas puede perder dureza y resistencia, lo que lo hace inadecuado para aplicaciones de alta temperatura sin un tratamiento térmico adecuado. La oxidación puede ocurrir a temperaturas superiores a 500 °C, lo que provoca la degradación de la superficie.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
MIG	ER70S-6	Argón + CO2	Se recomienda precalentar
TIG	ER70S-2	Argón	Requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Palo	E7018	N / A	No es ideal para secciones gruesas.

Los aceros al carbono para herramientas se pueden soldar, pero se debe tener cuidado para evitar el agrietamiento. El precalentamiento antes de soldar y el tratamiento térmico posterior suelen ser necesarios para aliviar tensiones y mejorar la tenacidad.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	Acero al carbono para herramientas	AISI 1212	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	70	100	El acero para herramientas al carbono es menos mecanizable que el 1212
Velocidad de corte típica (torneado)	30 metros por minuto	50 metros por minuto	Ajuste según el desgaste de la herramienta

La maquinabilidad es moderada; si bien los aceros para herramientas de carbono se pueden mecanizar, requieren una selección cuidadosa de herramientas de corte y parámetros para evitar un desgaste excesivo.

Formabilidad

Los aceros al carbono para herramientas generalmente no son tan moldeables como los aceros con bajo contenido de carbono. El conformado en frío puede provocar endurecimiento por acritud, mientras que el conformado en caliente es más factible, pero requiere un control cuidadoso de la temperatura para evitar la fragilidad.

Tratamiento térmico

Proceso de tratamiento	Rango de temperatura (°C)	Tiempo típico de remojo	Método de enfriamiento	Propósito principal / Resultado esperado
Recocido	700 - 800	1 - 2 horas	Aire	Suavizado, mejora la maquinabilidad
Temple	800 - 900	30 minutos	Aceite o agua	Endurecimiento, formación de martensita
Templado	150 - 300	1 hora	Aire	Reduciendo la fragilidad, aumentando la tenacidad.

Los procesos de tratamiento térmico afectan significativamente la microestructura y las propiedades del acero al carbono para herramientas. El temple transforma el acero en una estructura martensítica dura, mientras que el revenido reduce la fragilidad y mejora la tenacidad.

Aplicaciones típicas y usos finales

Industria/Sector	Ejemplo de aplicación específica	Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación	Motivo de la selección
Fabricación	Herramientas de corte	Alta dureza, resistencia al desgaste.	Esencial para el rendimiento del corte
Automotor	Matrices para estampación	Dureza, fuerza	Necesario para aplicaciones de alto estrés
Aeroespacial	Herramientas para mecanizado	Dureza, estabilidad dimensional	La precisión y la durabilidad son fundamentales

Otras aplicaciones incluyen:
* Herramientas manuales (cinceles, martillos)
* Moldes para inyección de plástico
* Plantillas y accesorios en la fabricación

El acero para herramientas al carbono se elige para estas aplicaciones debido a su capacidad de mantener bordes afilados y soportar el desgaste, lo que lo hace ideal para herramientas y matrices.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	Acero al carbono para herramientas	AISI D2	AISI 4140	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Alta dureza	Mayor resistencia al desgaste	Mejor tenacidad	El D2 ofrece una mejor resistencia al desgaste pero es más caro.
Aspecto clave de la corrosión	Pobre	Justo	Bien	4140 es más adecuado para entornos corrosivos.
Soldabilidad	Moderado	Pobre	Bien	El 4140 se puede soldar más fácilmente
Maquinabilidad	Moderado	Bien	Justo	El D2 es más difícil de mecanizar que el acero al carbono para herramientas.
Costo relativo aproximado	Bajo	Moderado	Moderado	El acero para herramientas al carbono es rentable para muchas aplicaciones
Disponibilidad típica	Alto	Moderado	Alto	El acero al carbono para herramientas está ampliamente disponible

Al seleccionar acero al carbono para herramientas, se deben considerar la rentabilidad, la disponibilidad y las propiedades mecánicas específicas requeridas para la aplicación. Si bien ofrece excelente dureza y resistencia al desgaste, sus limitaciones en tenacidad y resistencia a la corrosión deben evaluarse en función de las exigencias del uso previsto.