Lo que debe saber sobre expulsores laminares, parte 2: desgaste

Para entender por qué dos componentes de un molde que se deslizan uno contra el otro, se desgastan y agarrotan, tenemos que hablar brevemente de la metalurgia. Aunque esto pueda parecer aburrido y técnico, explica por qué es necesario prestar especial atención a los tipos de acero que se utilizan en los moldes.

El acero para herramentales contiene partículas muy duras llamadas carburos. Hay dos tipos de carburos: primarios y secundarios. Los carburos primarios se forman cuando se produce el acero. Tienen un tamaño relativamente grande (unas 40 micras) y deben estar uniformemente separados unos de otros. Los carburos secundarios se forman durante el tratamiento térmico. Su tamaño es relativamente pequeño (aproximadamente 0.5 micras). El acero contiene entre un 5 % y un 20 % de estos carburos.

El resto del acero que une todos los carburos se denomina matriz de acero. La composición química o los elementos de aleación de esta matriz, junto con los carburos, es lo que en última instancia determina la dureza, la resistencia a la corrosión, la resistencia al desgaste y otros atributos físicos del acero.

Cuando se trata de dos componentes que se deslizan uno contra otro, hay dos tipos básicos de desgaste: abrasivo y adhesivo. El desgaste abrasivo provoca la erosión del metal, que suele redondear las esquinas de las superficies en contacto. Intuimos que el desgaste abrasivo puede minimizarse al utilizar un acero extremadamente duro. Esto no es del todo cierto, porque hay una gran diferencia entre la dureza del acero y la dureza de los carburos dentro del acero, que determinan su resistencia al desgaste.

Grados AISI-SAE Aceros para herramientas
Propiedad	Grado AISI-SAE	Característica	Expulsores laminares disponibles	Dureza (Rc)
Endurecido en agua	W	Bajo contenido o sin elementos aleantes
Trabajo en frío	O	Endurecido en aceite	O-1	58-60
	A	Endurecido en aire, aleación media
	D	Alto contenido de carbón y cromo
Resistente impacto	S	Bajo contenido de carbón
Alta velocidad	T	Base tungsteno
	M	Base molibdeno	M-2	58-62
Trabajo en caliente	H	H1-H19: Base cromo	H-13
		H20-H39: Base tungsteno		58-74
		H40-H59: Base molibdeno
Acero para moldes	P	Bajo contenido de carbón
Aplicaciones especiales	L	Baja aleación	L-2	58-62
	F	carbón - tungsteno	F-1	58-64

Piense en ello como la dureza de las piedras de una calle adoquinada con mortero alrededor de las piedras. El mortero es lo que determina el grado de dureza del acero, pero la dureza de las piedras determina lo bien que resiste el desgaste abrasivo. Por esta razón se necesita mucho tiempo para que dos componentes que se deslizan muestren un desgaste abrasivo.

El acero para herramientas tiene entre un 0.5 % y 2 % de carbono. Se necesita al menos un 0,5 % de carbono para que el acero alcance una dureza de 60 Rockwell C. El exceso de carbono no hace que el acero sea más duro, sino que se combina con otros elementos de aleación, como el cromo, el molibdeno, el tungsteno y el vanadio para crear un tipo específico de carburo dentro de la matriz del acero, cada uno con su propio valor de dureza. Por ejemplo, los carburos de cromo tienen entre 65 y 70 Rc, los de molibdeno y tungsteno entre 75 Rc y los de vanadio entre 80 y 85 Rc.

La cantidad, el tipo y la distribución molecular de estos carburos son los principales responsables de la resistencia al desgaste por abrasión de un acero. También son responsables de la dificultad de un acero para rectificar o mecanizar. Ya tiene ahora una idea del tipo de acero que debe elegir si su única preocupación es el desgaste abrasivo. Pero este artículo se centra más en el desgaste adhesivo, que provoca el agarrotamiento y el fallo catastrófico de los expulsores laminares y otros componentes del molde.

El desgaste adhesivo se produce cuando la combinación de la fricción y una fuerza de compresión empuja dos componentes entre sí. Es una de las causas más comunes de fallo de los expulsores laminares. A diferencia del desgaste abrasivo, el desgaste adhesivo se produce rápidamente en una zona localizada y se extiende hacia afuera desde su punto de origen.

La norma ASTM G40 define esto como “una forma de daño superficial que surge entre sólidos que se deslizan y se distingue por una rugosidad macroscópica, generalmente localizada, y por la creación de una protuberancia por encima de la superficie original. A menudo incluye la transferencia de material, flujo plástico, o ambos”.

Esto ocurre cuando la estructura cristalina del componente más blando empieza a deslizarse y a desgarrarse. Parte de este material se desprende y se deposita o se fusiona con el componente más duro. Esto es el agarrotamiento. Cuando estos depósitos son más altos que la holgura entre los dos componentes que se deslizan, se agarrotan. Para minimizar el riesgo de agarrotamiento hay que reducir al mínimo la fricción, la ductilidad y la atracción cohesiva de los metales haciendo lo siguiente:

1. Utilizar aceros con composición de material disímil y baja atracción cohesiva entre sí.
2. Adquirir el acero de fuentes confiables. La calidad del acero es tan importante como su tipo.
3. Tratar térmicamente uno de los componentes, preferiblemente los dos. Cuanto más duro sea el acero, menos dúctil será.
4. Trabajar con tratadores térmicos de confianza y facilitarles la marca y las especificaciones del acero.
5. Reducir al mínimo la rugosidad de la superficie de los componentes. Una superficie pulida tendrá “picos” más pequeños, que favorecen el agarrotamiento al generar calor por fricción.
6. Conservar los componentes lubricados durante la producción, lo que reduce en gran medida la fricción.
7. Mantener los componentes limpios porque la suciedad y los residuos aumentan la fricción.
8. Considerar la aplicación de un recubrimiento o tratamiento superficial para aumentar la dureza de la superficie o reducir el coeficiente de fricción de al menos uno de los componentes.
9. Análisis profundo del desgaste adhesivo

Los mejores tipos de acero resistentes al desgaste adhesivo tienen una alta concentración de pequeños carburos secundarios. Los aceros con bajas resistencias al desgaste adhesivo tienen una alta concentración de carburos primarios de mayor tamaño. Los datos de las pruebas han demostrado que la resistencia al desgaste adhesivo también está influida por la distribución de ambos tipos de carburos. La distribución uniforme impide que los carburos se agrupen o se aglutinen, lo que favorece el agarrotamiento. Por eso es tan importante la capacidad de fabricación del proveedor de acero. Un buen proveedor garantizará una distribución uniforme de los carburos dentro de la matriz. Una buena distribución es también la razón por la que muchas de las nuevas aleaciones de metal en polvo tienen una excelente resistencia al desgaste y agarrotamiento, puesto que tienen carburos de menor tamaño con una distribución excepcional.

Existe un proceso llamado refundición por electroslag o electroescoria (ESR) que se utiliza para refinar el acero, dándole partículas de carburo más pequeñas y mejor distribuidas. Por desgracia, este proceso es caro y actualmente solo se utiliza en unos pocos aceros para herramientas, como el H-13 y el inoxidable 420, pero es bueno conocer el ESR a la hora de seleccionar qué marca de acero utilizar para los núcleos, cavidades y otros componentes del molde.

Los mejores aceros para herramientas resistentes al desgaste adhesivo son el O-6 (Graph-Mo) y el A-10 (Graph-Air). Contienen partículas grafíticas con lubricidad inherente y son muy buenos para retener los lubricantes aplicados. Para conseguir una alta concentración de partículas grafíticas se requiere un tiempo de recocido muy largo: días, no horas. Me han informado que Timken Steel, más tarde Latrobe Specialty Metals y ahora Carpenter Technology Corp. dejaron de ofrecer sus productos Graph-Mo y Graph-Air, a menos que se quiera comprar más de 40.000 libras de ellos.

Al parecer, la demanda de estas dos marcas disminuyó debido al mayor costo de producción y, posiblemente, porque nuestra industria no era consciente de sus enormes ventajas. El O-6 Graph-Mo fue sustituido por el CarTech 06. Tiene porcentajes ligeramente diferentes de elementos de aleación y especificaciones de tratamiento térmico muy distintas. El A-10 de Carpenter ya ni siquiera figura en su sitio web. A pesar de todo esto, el O-6 y el A-10 siguen siendo muy buenos materiales, sin importar el fabricante, porque conservan algunas partículas de grafito en la matriz. Solo que no son tan buenos como los originales Graph-Mo y Graph-Air. Otros aceros relativamente resistentes al desgaste adhesivo son el M-2, O-1, O-2, D-2 y S-1.

Entre los aceros menos resistentes al desgaste adhesivo están los aceros inoxidables. El acero inoxidable que se frota contra otro acero inoxidable tiene una atracción cohesiva extremadamente alta y es dos veces más probable que se agarrote, que la mayoría de las otras combinaciones de acero. Dado que el acero inoxidable tiene un contenido de cromo tan alto, no lo combine nunca con aceros que también tengan un elevado contenido de cromo, como D-2, H-13, M-2 o S-7. Si usted trabaja en la industria médica y tiene moldes de acero inoxidable, probablemente esté muy familiarizado con el agarrotamiento de los pasadores y camisas de expulsión en H-13 nitrurado. Los aceros más adecuados para aplicaciones de deslizamiento con acero inoxidable son el O-6, A-10, O-1 y M-2.

Se ha demostrado que los materiales duros y tratados térmicamente son más resistentes al desgaste adhesivo debido a su falta de ductilidad, pero no son necesariamente inmunes. Los recubrimientos superficiales duros, como CVD, PVD, TiN, TiCN y DLC ayudan a evitar el desgaste por adhesión o agarrotamiento al aumentar de manera uniforme la dureza de la superficie o reducir el coeficiente de fricción. Cabe señalar que la mayoría de los recubrimientos superficiales funcionan mejor cuando se aplican a una superficie muy pulida. Tenga en cuenta que los compuestos de pulido a base de aceite pueden contaminar la superficie del acero, que debe limpiarse a fondo antes de cualquier tratamiento superficial.

¿Qué es la nitrocarburación?

Existe un tipo especializado de cementación por nitrocarburación que empieza a abrirse camino en nuestra industria tras un largo historial de éxitos en otros sectores. Se trata de un proceso rentable de QPQ con nombres comerciales como Melonite, Tuffride y Tenifer. Se utiliza en acero al carbono, acero inoxidable, acero aleado y aceros austeníticos. Se trata de un proceso de tres pasos: nitrocarburación, pulido y posoxidación.

El proceso comienza con la nitrocarburación en baño de sal estándar, en el que el nitrógeno se difunde y se combina químicamente con los elementos formadores de nitruros en el metal. Esto produce una fina capa de compuesto resistente y dúctil o capa “blanca” de aproximadamente 0.0008 pulgadas de espesor. Esta capa de compuesto duro tiene unas propiedades de desgaste entre un 200 % y un 1000 % superiores a las del material original, así como una gran resistencia a la corrosión, al agarrotamiento y al rayado.

Debajo de la fina capa de compuesto hay una región llamada zona de difusión, donde el nitrógeno y el carbono se disuelven en el metal base. Esta zona tiene un espesor aproximado de 0.0080 pulgadas. La zona de difusión aporta varias ventajas adicionales. Se mejora la resistencia a la fatiga, por lo general entre un 20 % y un 100 %, así como la reducción del desgaste por adherencia y las propiedades antiadherentes. Tras la nitruración, la pieza se pule mecánicamente. Por último, el componente se vuelve a sumergir en el baño de sal, o se posoxida para crear una capa de óxido de hierro (Fe3O4) de 0.0004 a 0.0010 pulgadas de espesor resistente a la corrosión, que le da un acabado superficial negro.

Los expulsores laminares están disponibles comercialmente en varios tipos de acero para herramientas, como M-2, O-1, L-2, F-1 y H-13. Todos ellos son aceros aleados para herramientas, pero pertenecen a cinco familias de propiedades diferentes, como se muestra en la tabla adjunta. ¿Cómo puede un diseñador de moldes saber qué tipo es el mejor para una aplicación concreta?

Se ha investigado mucho sobre la compatibilidad de los aceros para herramientas en lo que respecta a la resistencia al desgaste y al agarrotamiento en la industria de láminas y estampado de acero, pero se ha hecho muy poco en la industria de los moldes de inyección. Aunque existe una interrelación entre las dos industrias, no se dispone de suficiente información definitiva y cuantitativa para que los diseñadores de moldes puedan seleccionar los mejores tipos de materiales para utilizar en sus moldes. Tienen que confiar en su propia experiencia o en las opiniones de otros, como los proveedores de componentes para moldes, que dicen que sus productos son los mejores.

Es de esperar que, en un futuro próximo, una universidad reciba una subvención de una de nuestras asociaciones comerciales o de algún otro benefactor para realizar un estudio en profundidad sobre la compatibilidad y la resistencia al desgaste adhesivo de los diferentes tipos de aceros para moldes, tratamientos térmicos, acabados superficiales, etc., de modo que se pueda poner fin a este misterio y ahorrar innumerables horas y dinero.

¿Y qué tal los enclavamientos o centradores rectos?

Merece la pena evaluar qué tipos de acero, durezas y tratamientos superficiales se utilizan en los centradores rectos. Al fin y al cabo, son superficies deslizantes con mucha carga lateral que acelera el desgaste. Simplemente, no se deslizan tanto como los expulsores laminares y otros componentes del molde suelen hacerlo. Se ha demostrado que el desgaste de los componentes deslizantes es proporcional a la distancia que recorren y a la velocidad de desplazamiento. Por lo tanto, el desgaste puede reducirse minimizando la carrera de expulsión y las velocidades de expulsión y retracción, así como el número de pulsos de expulsión durante la producción.

La mayoría de ustedes probablemente estén familiarizados con la vieja regla de que los componentes que se deslizan unos contra otros deben estar hechos de diferentes tipos de acero y tener un diferencial de dureza Rockwell C mínimo de 10 puntos. Se trata de una regla muy generalizada y algo engañosa. Aunque el diferencial de dureza entre los componentes que se deslizan es importante, se ha demostrado que tener dos tipos diferentes de acero es igualmente importante, si no más, para evitar el agarrotamiento.

La dureza de los expulsores laminares disponibles en el mercado oscila entre 58 y 62 Rc para expulsores endurecidos y hasta 74 Rc para expulsores nitrurados. Los núcleos suelen ser de acero inoxidable H-13, S-7 o 420 con durezas Rockwell C, que oscilan entre 48 y 54. Por lo tanto, los expulsores laminares disponibles en el mercado suelen estar hechos de un tipo diferente de acero para herramientas y son mucho más duros que los componentes del molde tratados térmicamente en los que se montan. Aunque piense que este es el escenario ideal —diferentes tipos de acero y diferentes durezas—, no es necesariamente cierto.

Cuando dos componentes se rozan entre sí, el más blando casi siempre se desgastará primero. Dado que es mucho más barato sustituir un expulsor laminar desgastado que reparar una ranura o un agujero en un molde desgastado, es lógico que se prefiera que el expulsor se desgaste primero. A menos que vaya a hacer sus núcleos de un material muy duro, muy resistente al desgaste y muy caro, como el CPM-10V, o que los recubra con un material muy duro como el DLC (recubrimiento similar al diamante), el núcleo se va a desgastar antes que el expulsor y eso puede ser costoso durante la vida útil del molde.

Mi padre se dio cuenta de este hecho hace cinco décadas e insistió en que todos sus expulsores laminares se hicieran a la medida con acero 1095 templado, con una dureza Rockwell de 48-50. Además de ser un tipo de acero diferente con una dureza Rockwell más baja, los expulsores tenían un límite elástico y una flexibilidad mucho mayor, lo que resulta útil cuando una pieza se atasca en un molde y permite que el expulsor se flexione en lugar de agrietarse.

Dependiendo de la aplicación y del tipo de acero, he logrado éxito con expulsores laminares hechos de acero O-6 a 60 Rc. Sin embargo, a menudo he tenido la tentación de fabricarlos con una de las nuevas aleaciones de cobre sin berilio, con una dureza de 40 Rc. Si lo piensa, muchos casquillos guía y casquillos de expulsión guiada están hechos de cobre y rara vez, o nunca, se agarrotan. La hoja de cobre más blanda, obviamente, se desgastará más rápido, lo cual es bueno. Las aleaciones de cobre tienen una lubricidad inherente y una conductividad térmica muy alta, lo que reduce la velocidad de desgaste. Las altas temperaturas causadas por la fricción favorecen el desgaste.

Las aleaciones de cobre ayudan a dispersar ese calor, más de cinco veces más rápido que el acero para herramientas. Lamentablemente, aún no he probado esta teoría. Sin embargo, he utilizado una aleación de cobre como guía para los elevadores de cola de milano opuestos, que tiene más de un millón de ciclos sin algún desgaste aparente.

Si no quiere gastar dinero en un expulsor laminar hecho a la medida o prefiere utilizar un tipo de acero diferente del que se comercializa, en realidad es bastante sencillo fabricar su propio expulsor (véase la ilustración). Ranure el extremo de un pasador redondo endurecido para crear un soporte. A continuación, suelde un expulsor laminar. Como alternativa, puede perforar uno o dos agujeros para un pasador de resorte.

Otra ventaja de fabricar sus propios expulsores laminares es que puede hacerlos con su ancho y espesor ideal, a diferencia de tener que elegir entre una selección limitada en un catálogo. Incluso, puede crear una versión con curva o con forma personalizada, en lugar de una rectangular. Hacer sus propios expulsores también le permite tener la longitud del hombro perfectamente adaptada a la carrera de expulsión, lo que minimiza la longitud no soportada del expulsor.