Los aceros alternativos para trabajo en caliente ofrecen una relación coste-rendimiento variable en comparación con el acero estándar H13 para trabajo en caliente. La temperatura de trabajo, la duración del ciclo y la vida útil prevista del molde determinan conjuntamente la selección del material para los moldes de fundición LPDC, por gravedad y por contrapresión CPC.
El acero estándar H13 para trabajo en caliente cuesta entre un 18 % y un 24 % menos que los grados mejorados de acero de alta aleación para trabajo en caliente. A temperaturas de trabajo de entre 380 y 450 ℃ y con tiempos de ciclo de entre 4,5 y 7 minutos, alcanza entre el 85 % y el 92 % de la vida útil del acero de alta aleación en moldes de fundición LPDC para llantas de aluminio.
El acero de trabajo en caliente modificado de alta aleación presenta una vida útil entre un 32 % y un 40 % más larga a temperaturas máximas superiores a 500 ℃. Su coste de material aumenta entre un 38 % y un 45 %; resulta adecuado para moldes de piezas estructurales de vehículos eléctricos (VE) de alta resistencia, en lugar de para moldes de fundición por gravedad de uso general, en fundiciones de aleaciones de aluminio en las que el coste es un factor determinante.
Para condiciones de trabajo de ciclo corto, inferiores a 4,5 min, el H13 con el tratamiento térmico adecuado alcanza una dureza de HRC 44-46. El H13 sin modificar puede satisfacer las necesidades de la producción en serie; la adopción ciega de acero de alta gama solo eleva el coste total del molde en un 29 % sin una reducción evidente de la tasa de defectos.
Los resultados de temperatura máxima de la simulación CAE de Procast proporcionan una referencia para la selección de materiales. Cuando la temperatura máxima simulada del inserto se mantiene por debajo de los 480 ℃, el acero para trabajo en caliente H13 estándar cumple la mayoría de los requisitos técnicos de los moldes de fundición por contrapresión de CPC.
Algunos aceros para trabajo en caliente sustitutivos y de bajo coste carecen de un contenido suficiente de vanadio. Su resistencia a la fatiga térmica se reduce entre un 41 % y un 48 %; los insertos de los moldes desarrollan grietas térmicas en red tras solo entre 800 y 1 000 ciclos de fundición en la producción de llantas de aluminio.
A la hora de adquirir materiales, se debe comparar el coste del ciclo de vida completo en lugar del precio de compra inicial. Aunque el acero modificado aumenta el coste inicial del molde en un 42 %, reduce la frecuencia de los tiempos de inactividad por cambio de molde en un 34 % para la producción continua de moldes de piezas estructurales de vehículos eléctricos (VE) de gran volumen.
En el caso de los moldes grandes de fundición por gravedad de más de 1 500 kg, el acero para trabajo en caliente modificado suele presentar una menor templabilidad. La dureza del núcleo puede descender entre 6 y 8 HRC incluso tras el temple con gas; este inconveniente compensa parcialmente su ventaja en cuanto al rendimiento superficial frente al H13.
El efecto del tratamiento de nitruración varía según los grados de acero. El H13 estándar forma una capa de nitruración estable de 0,08-0,12 mm; varias alternativas de bajo coste generan capas de nitruración frágiles que se desprenden fácilmente bajo la erosión cíclica del aluminio fundido.
La aparición de defectos de porosidad en la fundición está relacionada indirectamente con el comportamiento del acero del molde. La grave deformación térmica causada por un acero para trabajo en caliente de baja calidad altera el campo de flujo de la cavidad y el espacio libre de los respiraderos, lo que aumenta indirectamente la tasa de desechos por retención de gases en los talleres de fundición de aleaciones de aluminio.
A la hora de seleccionar calidades de acero alternativas, debe evaluarse el margen del proceso de tratamiento térmico. Muchos aceros de trabajo en caliente de alta calidad exigen una velocidad de enfriamiento durante el temple más estricta, de entre 35 y 65 ℃/min; un tratamiento térmico inadecuado anula su ventaja teórica de rendimiento frente al acero de trabajo en caliente H13.
Los documentos de especificaciones técnicas deben indicar el tipo exacto de acero, en lugar de la vaga expresión «acero para trabajo en caliente». Una redacción ambigua permite la aplicación de materiales sustitutivos, lo que puede acortar la vida útil real de los moldes de fundición LPDC en más de un 45 % en la producción en serie.
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Preguntas frecuentes
P: ¿En qué condiciones puede el H13 estándar satisfacer la mayoría de los requisitos de los moldes de fundición?
R: Temperatura máxima del inserto inferior a 480 ℃ y tiempo de ciclo ≥ 4,5 min para moldes de llantas de aluminio.
P: ¿Qué mejora en la vida útil puede ofrecer el acero para trabajo en caliente modificado de alta aleación?
R: Una vida útil entre un 32 % y un 40 % más larga en condiciones de trabajo intensivo con temperaturas máximas superiores a 500 ℃.
P: ¿Qué riesgos conllevan los sustitutos de bajo coste del acero para trabajo en caliente con bajo contenido en vanadio?
R: La resistencia a la fatiga térmica se reduce entre un 41 % y un 48 %, y se producen grietas térmicas en red prematuras en menos de 1000 ciclos.
P: ¿Por qué evaluar el coste del ciclo de vida completo en lugar de solo el coste inicial de adquisición del molde?
R: El acero de alta calidad reduce las pérdidas por tiempo de inactividad, aunque su coste inicial de adquisición sea mayor.
P: ¿Puede el acero de alta aleación compensar por completo los efectos negativos de un tratamiento térmico deficiente?
R: No, unos parámetros de temple inadecuados anularán las ventajas teóricas de rendimiento.
P: ¿Cuál es el espesor objetivo de la capa de nitruración para los insertos estándar de moldes de fundición H13?
R: Una capa de nitruración estable de entre 0,08 y 0,12 mm mejora el rendimiento contra la erosión.
P: ¿Qué problemas puede acarrear el acero modificado en los moldes de fundición por gravedad de gran tamaño?
R: Una baja templabilidad provoca una gran diferencia de dureza entre la superficie y el núcleo en el interior de los bloques de gran peso.
