Acero de alta velocidad

acero rápido (HSS o HS) es un subconjunto de aceros para herramientas, comúnmente utilizado como material para herramientas de corte.

Se utiliza a menudo en hojas de sierra eléctrica y brocas. Además, se utiliza a menudo para ranurar cuencos y sesgar para tornear madera.[1] Es superior a las herramientas más antiguas de acero con alto contenido de carbono que se utilizaron ampliamente durante la década de 1940 porque puede soportar temperaturas más altas sin perder su temperamento (dureza). Esta propiedad permite que el HSS corte más rápido que el acero con alto contenido de carbono, de ahí el nombre acero de alta velocidad. A temperatura ambiente, en su tratamiento térmico generalmente recomendado, los grados HSS generalmente muestran alta dureza (por encima de la dureza Rockwell 60) y resistencia a la abrasión (generalmente relacionada con el contenido de tungsteno y vanadio que se usa a menudo en HSS) en comparación con los aceros al carbono y para herramientas comunes. Existen varios tipos diferentes de acero HS, como M42 y M2.

Historia

En 1868, el metalúrgico inglés Robert Forester Mushet desarrolló el acero Mushet, considerado el precursor de los aceros rápidos modernos. Consistía en 2% de carbono, 2,5% de manganeso y 7% de tungsteno. La principal ventaja de este acero era que se endurecía cuando el aire se enfriaba a una temperatura a la que la mayoría de los aceros tenían que enfriarse para endurecerse. Durante los siguientes 30 años, el cambio más significativo fue la sustitución del manganeso por cromo.

En 1899 y 1900, Frederick Winslow Taylor y Maunsel White (né Maunsel White III; 1856–1912; nieto de Maunsel White; 1783–1863), trabajando con un equipo de asistentes en Belén Steel Company en Bethlehem, Pensilvania, EE. UU., realizó una serie de experimentos tratando térmicamente aceros para herramientas de alta calidad existentes, como el acero Mushet, calentándolos a temperaturas mucho más altas de las que normalmente se consideraban deseables en la industria. Sus experimentos se caracterizaron por un empirismo científico en el sentido de que se hicieron y probaron muchas combinaciones diferentes, sin tener en cuenta la sabiduría convencional o las recetas alquímicas, y se mantuvieron registros detallados de cada lote. El resultado fue un proceso de tratamiento térmico que transformó las aleaciones existentes en un nuevo tipo de acero que podía conservar su dureza a temperaturas más altas, permitiendo velocidades y tasas de corte mucho más altas durante el mecanizado.

El proceso Taylor-White fue patentado y creó una revolución en las industrias del mecanizado. Se necesitaban máquinas herramienta más pesadas y con mayor rigidez para aprovechar al máximo el nuevo acero, lo que provocó rediseños y sustitución de la maquinaria instalada en la planta. La patente fue impugnada y finalmente anulada.

La primera aleación que fue clasificada formalmente como acero de alta velocidad es conocida por la designación AISI T1, que fue introducida en 1910. Fue patentada por Crucible Steel Co. a principios del siglo XX.

Aunque los aceros rápidos ricos en molibdeno, como el AISI M1, se habían utilizado desde la década de 1930, fueron la escasez de material y los altos costos causados por la Segunda Guerra Mundial los que estimularon el desarrollo de aleaciones menos costosas que sustituyeron el tungsteno por molibdeno. Los avances en los aceros rápidos a base de molibdeno durante este período los pusieron a la par, y en ciertos casos mejores, que los aceros rápidos a base de tungsteno. Esto comenzó con el uso de acero M2 en lugar de acero T1.

Tipos

Los aceros rápidos son aleaciones que obtienen sus propiedades a partir de una variedad de metales de aleación agregados al acero al carbono, que generalmente incluyen tungsteno y molibdeno, o una combinación de ambos, a menudo también con otras aleaciones. Pertenecen al sistema de aleaciones multicomponente Fe-C-X donde X representa cromo, tungsteno, molibdeno, vanadio o cobalto. Generalmente, el componente X está presente en más del 7%, junto con más del 0,60% de carbono.

En el sistema de numeración unificado (UNS), a los grados de tipo tungsteno (por ejemplo, T1, T15) se les asignan números en la serie T120xx, mientras que al molibdeno (por ejemplo, M2, M48) y los tipos intermedios son T113xx. Las normas ASTM reconocen 7 tipos de tungsteno y 17 tipos de molibdeno.

La adición de aproximadamente un 10% de tungsteno y molibdeno en total maximiza eficientemente la dureza y tenacidad de los aceros rápidos y mantiene esas propiedades a las altas temperaturas generadas al cortar metales.

Aceros rápidos al molibdeno (HSS)

La combinación de molibdeno, tungsteno y acero al cromo crea varias aleaciones comúnmente llamadas "HSS", que miden 63–65 Rockwell "C" dureza.

M1

M1 carece de algunas de las propiedades de la dureza roja de M2, pero es menos susceptible al shock y se flexibilizará más.

M2

M2 es el HSS industrial "estándar" y más utilizado. Tiene carburos pequeños y distribuidos uniformemente dando alta resistencia al desgaste, aunque su sensibilidad de decarburación es un poco alta. Después del tratamiento de calor, su dureza es la misma que T1, pero su fuerza de flexión puede alcanzar 4700 MPa, y su dureza y termoplicidad son mayores que T1 en 50%. Por lo general se utiliza para fabricar una variedad de herramientas, tales como brocas, grifos y reameres. 1.3343 es la designación numérica equivalente para el material M2 identificado en ISO 4957.

M7

M7 se utiliza para hacer ejercicios de construcción más pesados donde la flexibilidad y la vida de perforación extendida son igualmente importantes.

M50

M50 no tiene la dureza roja de otros grados de HSS de tungsteno, pero es muy bueno para los taladros donde el rotura es un problema debido a la flexión del taladro. Generalmente favorecido para ferreterías y uso de contratistas. También se utiliza en rodamientos de bolas de alta temperatura. Estos aceros se obtienen por aleación de tungsteno, cromo, vanadio, cobalto y molibdeno con acero.

Acero rápido de cobalto (HSS)

La adición de cobalto aumenta la resistencia al calor y puede proporcionar una dureza Rockwell de hasta 70 min.

M35

M35 es similar a M2, pero con 5% de cobalto añadido. M35 también se conoce como Cobalt Steel, HSSE o HSS-E. Cortará más rápido y durará más tiempo que M2.

M42

M42 es una aleación de acero de alta velocidad de serie de molibdeno con un cobalto adicional del 8%. Es ampliamente utilizado en industrias de fabricación de metal debido a su mayor dureza roja en comparación con aceros de alta velocidad más convencionales, permitiendo tiempos de ciclo más cortos en entornos de producción debido a mayores velocidades de corte o del aumento del tiempo entre cambios de herramientas.

Modificación de superficie

Los láseres y los haces de electrones se pueden utilizar como fuentes de calor intenso en la superficie para el tratamiento térmico, la refundición (esmaltado) y la modificación de la composición. Es posible lograr diferentes formas y temperaturas de piscinas fundidas, así como velocidades de enfriamiento que oscilan entre 10³ y 10⁶ K s⁻¹. Ventajosamente, hay poca o ninguna formación de grietas o porosidad.

Si bien las posibilidades del tratamiento térmico en la superficie deberían ser evidentes, las otras aplicaciones requieren alguna explicación. A velocidades de enfriamiento superiores a 10⁶ K s⁻¹, los microconstituyentes eutécticos desaparecen y hay una segregación extrema de elementos de aleación sustitutivos. Esto tiene el efecto de proporcionar los beneficios de una pieza acristalada sin el daño asociado al desgaste durante el rodaje.

La composición de la aleación de una pieza o herramienta también se puede cambiar para formar un acero de alta velocidad en la superficie de una aleación pobre o para formar una aleación o una capa enriquecida con carburo en la superficie de una pieza de acero de alta velocidad. Se pueden utilizar varios métodos, como láminas, borotización de paquetes, polvos de pulverización de plasma, tiras con núcleo de polvo, alimentadores de soplado de gas inerte, etc. Aunque se ha informado que este método es beneficioso y estable, aún no se ha visto un uso comercial generalizado.

Formación

Las brocas HSS formadas por laminación se denominan HSS-R. El rectificado se utiliza para crear brocas HSS-G, cobalto y carburo.

Aplicaciones

El uso principal de los aceros rápidos sigue siendo en la fabricación de diversas herramientas de corte: taladros, machos de roscar, fresas, brocas para herramientas, fresas de tallado (engranajes), hojas de sierra, hojas para cepilladoras y ensambladoras, fresas para fresadoras, etc.., aunque su uso para punzones y matrices está aumentando.

Los aceros rápidos también encontraron un mercado en herramientas manuales finas donde su tenacidad relativamente buena con alta dureza, junto con una alta resistencia a la abrasión, los hacía adecuados para aplicaciones de baja velocidad que requieren un borde afilado duradero, como limas y cinceles., hojas de cepillo manual y cuchillos de cocina y navajas de bolsillo de damasco.

Las herramientas de acero de alta velocidad son las más populares para su uso en torneado de madera, ya que la velocidad de movimiento del trabajo más allá del borde es relativamente alta para las herramientas manuales, y el HSS mantiene su borde por mucho más tiempo que las herramientas de acero con alto contenido de carbono.