Acero CPM M4: Propiedades y aplicaciones clave

El acero CPM M4 (M4 HSS) es un acero de alta velocidad (HSS) conocido por su excelente resistencia al desgaste, tenacidad y capacidad para mantener la dureza a temperaturas elevadas. Clasificado como acero para herramientas , el CPM M4 es un grado de pulvimetalurgia que incorpora una mezcla única de elementos de aleación, como molibdeno, vanadio y cobalto, que contribuyen a sus características de rendimiento superiores.

Descripción general completa

El CPM M4 se clasifica principalmente como acero de alta velocidad, diseñado para herramientas de corte y aplicaciones que requieren alta dureza y resistencia al desgaste. Los principales elementos de aleación del CPM M4 incluyen:

• Molibdeno (Mo) : mejora la templabilidad y la resistencia al desgaste.
• Vanadio (V) : Mejora la tenacidad y refina la microestructura, lo que conduce a una mejor resistencia al desgaste.
• Cobalto (Co) : Aumenta la dureza en caliente y mejora la capacidad del acero para soportar altas temperaturas sin perder su dureza.

La combinación de estos elementos da como resultado un acero que presenta una dureza excepcional, alcanzando típicamente valores de 62-66 HRC después del tratamiento térmico, junto con una buena tenacidad y resistencia al astillado.

Ventajas (Pros) :
- Excepcional resistencia al desgaste, lo que lo hace ideal para herramientas de corte.
- Alta retención de dureza a temperaturas elevadas.
- Buena tenacidad, lo que reduce el riesgo de fallo de la herramienta.

Limitaciones (Contras) :
- Más caro en comparación con los aceros para herramientas convencionales.
- Requiere un tratamiento térmico cuidadoso para lograr propiedades óptimas.
- Puede resultar complicado mecanizarlo debido a su dureza.

Históricamente, el CPM M4 ha sido importante en la fabricación de herramientas de corte de alto rendimiento, como brocas, fresas y hojas de sierra, donde sus propiedades se pueden aprovechar al máximo.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	T11302	EE.UU	Equivalente más cercano a AISI M4
AISI/SAE	M4	EE.UU	Designación de uso común
ASTM	A681	EE.UU	Especificación para aceros de alta velocidad
JIS	SKH51	Japón	Propiedades similares pero con pequeñas diferencias de composición
ESTRUENDO	1.3343	Alemania	Grado equivalente con ligeras variaciones en la composición.

Las diferencias entre estos grados pueden afectar el rendimiento, especialmente en términos de resistencia al desgaste y tenacidad. Por ejemplo, si bien JIS SKH51 es similar, podría no tener el mismo rendimiento en aplicaciones de alta temperatura que CPM M4.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	1.30 - 1.50
Cr (cromo)	3,75 - 4,50
Mo (molibdeno)	4.00 - 5.00
V (vanadio)	1,75 - 2,20
Co (cobalto)	8.00 - 9.50
W (Tungsteno)	5.00 - 6.50

La función principal del carbono es aumentar la dureza y la resistencia, mientras que el molibdeno mejora la resistencia al desgaste y la templabilidad. El vanadio contribuye a la tenacidad y refina la estructura del grano, y el cobalto mejora la dureza en caliente, lo que hace que el CPM M4 sea adecuado para aplicaciones de alta velocidad.

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	2000 - 2200 MPa	290 - 320 ksi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	1800 - 2000 MPa	261 - 290 ksi	ASTM E8
Alargamiento	Templado y revenido	Temperatura ambiente	2 - 5%	2 - 5%	ASTM E8
Dureza (HRC)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	62 - 66 HRC	62 - 66 HRC	ASTM E18
Resistencia al impacto (Charpy)	Templado y revenido	-20 °C (-4 °F)	20 - 30 J	15 - 22 pies-lbf	ASTM E23

La combinación de alta resistencia a la tracción y al rendimiento, junto con una excelente dureza, hace que CPM M4 sea particularmente adecuado para aplicaciones que involucran altas cargas mecánicas y desgaste, como herramientas de corte y matrices.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (métrico)	Valor (Imperial)
Densidad	Temperatura ambiente	7,85 g/cm³	0,284 lb/pulgada³
Punto/rango de fusión	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
Conductividad térmica	Temperatura ambiente	25 W/m·K	14,5 BTU·pulgada/h·pie²·°F
Capacidad calorífica específica	Temperatura ambiente	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Resistividad eléctrica	Temperatura ambiente	0,0001 Ω·m	0,0001 Ω·pie

La alta densidad y el punto de fusión del CPM M4 contribuyen a su durabilidad y rendimiento en aplicaciones de alta temperatura. Su conductividad térmica es moderada, lo que favorece la disipación del calor durante los procesos de mecanizado.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C/°F)	Clasificación de resistencia	Notas
cloruros	5-10	25 °C (77 °F)	Justo	Riesgo de corrosión por picaduras
Ácido sulfúrico	10-20	25 °C (77 °F)	Pobre	No recomendado
Ácido acético	5-10	25 °C (77 °F)	Justo	Susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión

El CPM M4 presenta una resistencia moderada a la corrosión, especialmente en entornos con cloruros, donde puede producirse picaduras. En comparación con otros aceros rápidos como el M2, que ofrece una mejor resistencia a la corrosión gracias a su mayor contenido de cromo, el CPM M4 puede requerir recubrimientos protectores o tratamientos superficiales en entornos corrosivos.

Resistencia al calor

Propiedad/Límite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observaciones
Temperatura máxima de servicio continuo	500°C	932°F	Mantiene la dureza y la resistencia.
Temperatura máxima de servicio intermitente	600°C	1112°F	Adecuado para exposición a corto plazo.
Temperatura de escala	700°C	1292°F	Riesgo de oxidación a esta temperatura.

A temperaturas elevadas, el CPM M4 mantiene su dureza y resistencia, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de mecanizado de alta velocidad. Sin embargo, la exposición prolongada a temperaturas superiores a 600 °C puede provocar oxidación y formación de incrustaciones, lo que requiere medidas de protección.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
TIG	ER80S-D2	Argón	Se recomienda precalentar
MIG	ER80S-D2	Argón/CO2	Requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Soldar CPM M4 puede ser complicado debido a su alta dureza y su potencial de agrietamiento. El precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura son esenciales para aliviar las tensiones y prevenir defectos.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	CPM M4	AISI 1212	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	50%	100%	El CPM M4 es más difícil de mecanizar
Velocidad de corte típica	20 metros por minuto	40 metros por minuto	Utilice herramientas de carburo para obtener mejores resultados.

El mecanizado de CPM M4 requiere herramientas especializadas y velocidades de corte más lentas debido a su dureza. Se recomiendan herramientas de carburo para un mecanizado eficaz.

Formabilidad

El CPM M4 no se suele utilizar para aplicaciones de conformado debido a su alta dureza y baja ductilidad. Los procesos de conformado en frío y en caliente no suelen ser viables, y el material se utiliza principalmente en aplicaciones que requieren corte y conformación en lugar de conformado.

Tratamiento térmico

Proceso de tratamiento	Rango de temperatura (°C/°F)	Tiempo típico de remojo	Método de enfriamiento	Propósito principal / Resultado esperado
Endurecimiento	1200 - 1250 °C (2192 - 2282 °F)	30 - 60 minutos	Aceite/Agua	Conseguir una alta dureza
Templado	500 - 600 °C (932 - 1112 °F)	1 - 2 horas	Aire	Mejora la tenacidad y reduce la fragilidad.

El proceso de tratamiento térmico es crucial para lograr la dureza y tenacidad deseadas en CPM M4. Los tiempos de remojo y los métodos de enfriamiento adecuados son esenciales para evitar el agrietamiento y garantizar un rendimiento óptimo.

Aplicaciones típicas y usos finales

Industria/Sector	Ejemplo de aplicación específica	Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación	Motivo de la selección (breve)
Aeroespacial	Herramientas de corte para álabes de turbinas	Alta dureza, resistencia al desgaste.	Necesario para aplicaciones de alto rendimiento
Automotor	Herramientas de mecanizado de alta velocidad	Dureza, resistencia al calor.	Esencial para precisión y durabilidad.
Fabricación	Hojas de sierra	Resistencia al desgaste, dureza.	Necesario para cortar materiales duros.

Otras aplicaciones incluyen:
- Brocas para trabajar metales.
- Fresas para mecanizar formas complejas.
- Matrices de conformado para materiales de alta resistencia.

Se elige CPM M4 para estas aplicaciones debido a su capacidad para mantener la dureza y resistir el desgaste en condiciones de alta velocidad, lo que lo hace ideal para tareas de mecanizado exigentes.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	CPM M4	M2	D2	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Alta dureza	Dureza moderada	Alta tenacidad	El CPM M4 destaca por su resistencia al desgaste
Aspecto clave de la corrosión	Moderado	Justo	Pobre	CPM M4 requiere recubrimientos protectores
Soldabilidad	Desafiante	Moderado	Bien	Requiere tratamiento térmico previo y posterior.
Maquinabilidad	Bajo	Moderado	Alto	Más difícil de mecanizar que el M2
Costo relativo aproximado	Alto	Moderado	Bajo	Un mayor costo refleja beneficios en el rendimiento
Disponibilidad típica	Moderado	Alto	Alto	M2 y D2 están más comúnmente disponibles

Al seleccionar CPM M4, se deben considerar su relación coste-beneficio, disponibilidad y requisitos específicos de la aplicación. Su alta dureza y resistencia al desgaste lo hacen ideal para aplicaciones de alto rendimiento, mientras que sus desafíos en cuanto a maquinabilidad y soldadura requieren una planificación y ejecución cuidadosas.

En resumen, el CPM M4 es la mejor opción para aplicaciones de alta velocidad donde la durabilidad y el rendimiento son primordiales. Comprender sus propiedades y limitaciones permite tomar decisiones informadas en la selección de materiales y el diseño de aplicaciones.