HEAT TREATMENT OF HIGH SPEED AND TOOL STEELS

Antonio Laguna, Especialidades Térmicas, S.A. de C.V. Fundidores 18 Zona Industrial Xhala Cuautitlan Izcalli, México, C.P. 54714 Introduction Introducción  Tools steel are classified as Los aceros de herramienta se clasifican follows: en: W-water quench, S impact resistance, O, A, D cold working, W de temple en agua, S resistentes al H hot working, T and M high impacto, O, A, D para trabajado en frío, H speed steels; and L for special para trabajado en caliente, T y M aceros purposes. de alta velocidad y L para propósitos Tool steels are a high quality especiales. steels with narrow chemical Los aceros de herramienta son aceros de composition and tolerances because these steel are alta calidad con una composición química employed to make tools for a y tolerancias muy cerradas, ya que estos very specific purpose. aceros son utilizados para fabricar herramientas para un uso definido. These tool steels have important quantities of W, Mo, V and Cr, Estos aceros de herramienta contienen which allow them to satisfy cantidades importantes de W, Mo, V y Cr, severe demands in service, to lo cual les permite cumplir con las have dimensional control and free of cracks during their heat demandas severas en servicio, tener un treatment. control dimensional y libres grietas durante su tratamiento térmico. Applications Aplicaciones Most of the tool steels are widely La mayoría de los aceros de employed to make components herramienta son ampliamente of machinery and structural utilizados para componentes de applications where severe maquinaria y aplicaciones requirements are needed such as estructurales donde requisitos high temperature springs, high severos se deben de cumplir tal mechanical properties of seat como resortes de alta temperatura, belts, valves for special purposes, altas propiedades mecánicas de los punches and dies; wear cinturones de seguridad, válvulas resistance coatings, bearing of para propósitos especiales, several types for high punzones y dados; revestimientos temperature service, etc. resistentes al desgaste, cojinetes de The performance of tool steels varios tipos para servicio a alta will depend of: temperatura, etc.  El desempeño del acero de 1) Precision of tool making, herramienta depende de: 2) Selection of steel, 1)La precisión con la cual la 3) The application of the right herramienta es fabricada, heat treatment. 2) La selección del propio acero, 3) El tratamiento térmico correcto. Phase diagram Diagrama de fase

Fe-C phase diagram where are  Diagrama de fases Fe-C en donde se represented the transformations of representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la carbon steels with temperature, temperatura, en donde el calentamiento where heating (or cooling) is (o enfriamiento) se realiza muy performed very slowly such as the lentamente de modo que los procesos de diffusion process (homogenization) difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. will have time to finished. Ferrite Ferrita Fe is present in three allotropy states  El Fe esta presente en tres estados as the temperature increases from alotrópicos a medida que la room temperature to 911°C (AC3). temperatura incremente desde la Fe crystallizes as a face centered temperatura ambiente a los 911°C cubic system and is known as Fe- or (AC3).El fe recristaliza en el sistema ferrite. cúbico centrado en el cuerpo y es conocido como Fe- o ferrita.

Is a ductile material and malleable, responsible for the good workability of low carbon steels and is  Es un material dúctil y maleable, ferromagnetic until the 770 °C responsable por la buena deformación (Curie temperature). de los aceros bajo carbono y es Ferrite can dissolve small amounts of ferromagnético hasta los 770°C carbon. (temperatura de Curie).  La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono. Austenite Austenita  ° ° From 911 C to 1400 C, Fe crystallizes Entre los 911°C y 1400 °C, Fe cristaliza en el in the face centered cubic system and is sistema cúbico de caras centradas y recibe el known as Fe- (gamma) or austenite. nombre de hierro γ (gama) o austenita.

 Austenite is deformed easily and is  La austenita se deforma con mayor facilidad y paramagnetic. Between 1400°C and es paramagnética. Entre los 1400°C y 1538 °C 1538 °C crystallized again in the body cristaliza de nuevo en el sistema cúbico de cuerpo centered cubic system and is know as Fe- centrado y recibe el nombre de hierro-δ (delta).  (delta).  Si se añade carbono al hierro este se combina  If carbon is added to iron, iron carbide is formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe el formed (Fe3C). This is a defined chemical compound which is named as cementite, nombre de cementita de modo que los aceros in such a way that carbon steels are aleados al carbono están constituidos realmente formed for ferrite and cementite. por ferrita y cementita. Ledeburite Ledeburita  Fe-C phase diagram shows two specific  El diagrama de fases Fe-C muestra dos compositions: Eutectic and ledeburite composiciones específicas: Eutectico y (4.3% de carbono , 64.5 % cementite). ledeburita (4.3% de carbono , 64.5 %  Ledeburite is present in steels when the cementita). carbon content is > 2% and is responsible  Ledeburita esta presente en los aceros for the bad workability of steels and mark cuando el contenido drbono es >2% y es the frontier between wrought steels and la responsable de la mala forjabilidad de cast irons. los aceros, marcando la frontera entre los aceros forjables y las fundiciones. Eutectoid Eutectoide  A eutectoid transformation occurs in steels °  Una transformación eutectoido se lleva a cabo with 0.8 % C at 727 C. The resulting en los aceros con 0.8% C a 727°C. La microstructure is known as pearlite. estructura resultante es conocida como perlita. • Pearlite is formed by two alternate layes of  La perlita esta formada por capas alternas de ferrite and cementite. ferrita y cementita.

• Hypoeutectoid steels (C<0.8%C): During cooling (below A3)ferrite nucleated at austenite grain boundaries and when the  Aceros hipoeutectoides (C<0.80% C): Al enfriarse (por debajo de A3) la ferrita nuclea en crirtical temperature A1 is reached, the los límites de grano de la austenita y cuando se remaining austenite is transformed to alcanza la temperatura crítica A1, el resto de la pearlite. austenita se transforma a perlita. • Hypereutectoid steels (C>0.8%C) : During  Aceros hipereutectoides (C> 0,80% C). Al cooling (below Acm), iron carbide is formed enfriarse (por debajo de Acm), se forma el and the final resulting microstructure carburo de hierro y la microestructura final consisted of pearlite grains in a matrix of consiste de granos de perlita en una matriz de cementite. cementita. Heat treatment Tratamiento térmico

 Con pocas excepciones, todos los aceros  With few exceptions, tool steels will be de herramienta deberán de ser tratados heat treated with the purpose to obtain térmicamente para obtener their desirable properties such as wear combinaciones específicas de resistencia resistance, deformation resistance, al desgaste, resistencia a la deformación fracture under high loads, resistance to o ruptura bajo altas cargas y resistencia al softening at high temperatures. ablandamiento a temperaturas elevadas.  Most of the tool steels are conformed or  La mayoría de los aceros de herramienta machined out to obtain their final form son conformados o maquinados para and then heat treated. producir la forma requerida y entonces tratados térmicamente. Hot working-Heat treatment Trabajado en caliente- Tratamiento térmico As-received material Condición de recibido  To start with the heat treatment of tool  Para el tratamiento térmico de los aceros de steel, the as-received material normally is in herramienta, estos normalmente se entregan the as-annealed condition with a hardness con un recocido con una dureza entre los 200 a between 200 to 250 HB (20HRc). 250 HB (20 RC).  The tool steel normally are machined out to  Los aceros de herramienta generalmente obtain the desirable shape. requieren de un maquinado.

 AISI W2 (1.05% C), spherodized annealed  AISI W2 (1.05%C), recido de esferodizad  With the aim that tool steels present the  Con el propósito de que estos aceros de apropiated properties, will be heat treated. herramienta presenten las propiedades deseadas, deben de ser tratados térmicamente.  Each heat treatment cycle will be • Cada ciclo de tratamiento térmico deberá de performed taking into account its chemical realizarse tomando en cuenta su composición composition and carried out in a proper way química y realizarse de manera adecuada ya because will betermined the performance of este determinará el desempeño de la the tool steel. herramienta.

wi Preheating Precalentamiento  The first stage of heat treatment cycle for  La primera etapa del ciclo de tratamiento tool steels consists in a preheating below térmico de los aceros de herramienta, consiste the critical transformation temperature, en un precalentamiento por debajo de la with a low heating rate because these steels temperatura crítica de transformación, la cual deberá de realizarse de manera lenta, ya que are susceptible to thermal shock and to the estos aceros son susceptibles al choque térmico volume change due to the transformation y al cambio de volumen cuando pasan de la from ferrite austenite. estructura ferrita austenita.

 Preheating of steel will allows:  El precalentamiento de los aceros de herramienta permite: • 1) To eliminate residual stresses for the machining process. • 1) Eliminar los esfuerzos residuales del proceso de maquinado. • 2) Decreases the necessary time for quenching, decreasing decarburizing and • 2) Disminuye el tiempo necesario para templar, oxidation. disminuyendo la decarburización y oxidación. • 3) Decreases deformation. • 3) Disminuye la deformación. • Preheating temperatures are between • Las temperaturas de precalentar varían de ° ° 650°C a 700°C para los aceros normales y se 650 C to 700 C for carbon steels and incrementa a temperaturas >900°C para los >900°C for hot working and high speed aceros de trabajo en caliente y los aceros steels. rápidos. T and soaking time T y tiempo de permanencia  When the austenizing temperature is  Cuando se alcanza la temperatura de reached, the main alloying elements will austenización, los elementos principales be as dispersed carbides in an austenite se encontraran en forma de carburos matrix. contenidos y dispersos en una matriz  A this stage, the austenizing temperature austenitica. and its soaking time will be important  En esta etapa, es importante la because exits a compromise between temperatura de austenización y su austenite grain size a carbides. tiempo de permanencia, ya que se debe de tener un compromiso entre el tamaño de grano austenítico y de carburos. Heat treatment cycle Ciclo de tratamiento térmico  During the heat treatment cycle, it is  Durante el tratamiento térmico de important to monitor its temperature temple, su monitoreo es esencial, ya que because allow its modification in the last permite su modificación en su última stage. etapa. Soaking temperature Temperatura de austenización  La composición química de los aceros de  Chemical composition of tool steels has herramienta tiene un impacto en sus an impact in their properties. propiedades.  These tool steels require a precision heat  Estos aceros de herramienta requieren un treatment. For instance for cold working tratamiento térmico de precisión. Por tool steels, a fine grain size is needed in ejemplo, para los aceros de herramienta order to have good resistance to abrasion para trabajado en frío, se requiere de un and wear. tamaño de grano fino para mejorar su resistencia a la abrasión y al desgaste.  Therefore, the soaking time will be controlled to avoid the full dissolution of  Por lo que la temperatura de austenización carbides. In industry, these steels are oil deberá de controlarse para evitar la quenched from 960°C, while the hot completa dissolució de los carburos. En la working tool steel are quenched in oil or industria estos aceros son templados en ° gas from up to 1120°C. aceite desde los 960 C, para los aceros de herramienta para trabajado en caliente se  High speed steels are quenched in oil or templan en aceite o gas desde los 1120°C. ° gas from up to 1250 C.  Los metal parts from the metálicas, desde la temperatura de austenizado, para austenitizing temperature in order to obtain a obtener una transformación martensítica. martensite transformation.

 Los aceros de herramienta son templados en aceite para evitar la distorsión o agrietamiento.  Tool steels are oil quenched to avoid distortion or  A mayor contenido de los elementos de aleación (W, Mo, cracking. V y Cr), los aceros de herramienta pueden ser enfriados  At higher content of alloying elements (W, Mo, V and en aire, permitiendo una menor distorsión y menor Cr), tool steels can be air cooling which allow less riesgo de agrietamiento. distortion and less cracking risk.  Los mejores resultados se obtienen cuando los aceros de  Best results are obtained when tool steels are herramienta son templados en baños de sal y hornos al quenched in salt bath or haigh vacuum furnaces alto vacío, los cuales presentan varias ventajas entre las because: que se encuentran: • 1) Uniform heat transfer. • 1) Transferencia de calor uniforme. • 2) Better temperature control. • 2) Mejor control de la temperatura. • 3) Avoid decarburization. • 3) Evitar la decarburización. • 4) Avoid oxidation. • 4) Evitar la oxidación. • 5) Clean surface. • 5) Producir superficie limpia. Martensite Martensita

 Independently of the quenching route of  Independientemente de la ruta de templado tool steels, the resulting microstructure de los aceros de herramienta, la correspond to martensite, which is fragile microestructura resultante corresponde a la and with an excess of residual stresses. martensitica, la cual es frágil y con un exceso  In this condition, tool steels can no be de esfuerzos residuales. used, and a temper heat treatment must  En esta condición, los aceros de herramienta be applied. no pueden utilizarse, por lo que se les deben de aplicar un tratamiento térmico de revenido.

 Ro de herramienta M2  Martensite microstructure: left W1 tool steel, right M2 tool steel.  Microestructura martensítica: izquierda acero de herramienta W1, derecha acero de herramienta M2. Temper Revenido  After quenching, the martensite  Después del templado, la microestructura microstructure shows high hardness martensítica presenta altos valores de values. dureza.

 Therefore a temper heat treatment must  Por lo que un tratamiento térmico de be applied to obtain an aceptable revenido deberá de aplicarse para hardness. obtener una dureza aceptable.  It is recomended that specimens will be  Se recomienda que las piezas se enfríen cooled to room temperature in each completamente hasta la temperatura temper cycle. ambiente entre cada ciclo de revenido. Temper martensite Martensita revenida

 Microestructura de un acero de alta velocidad revenido.  Microstructure of temper high speed tool steel.  El revenido sirve para relevar esfuerzos y  Tempering serves to stress relieve and to transformar la austenita retenida del templado transform retained austenite from the en nueva martensita. La precipitación de quenching step to fresh martensite. Some carburos complejos también ocurre mejorando precipitation of complex carbide also occurs, aún su dureza. further enhancing secondary hardness.  En este proceso de transformar la austenita  It is this process of transforming retained retenida y revenir la martensita formada dicta austenite and tempering of newly formed un proceso de múltiples revenidos. martensite that dictates a multiple tempering procedure.  Por ejemplo, los aceros de herramienta de alta velocidad requieren de 2 a 4 revenidos y  High-speed tool steels require 2 to 4 tempers permanecer a la temperatura de revenido de 2 at a soak time of 2 to 4 hours each. a 4 horas cada uno. Heat treatment Tratamiento térmico

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