Desarrollo de un acero grado herramienta de alta conductivida termica para trabajo en caliente

Abstract

RESUMEN: La incorporación de nuevas aleaciones ha contribuido significativamente al desarrollo de componentes con propiedades mecánicas selectivas y a su vez al desarrollo de procesos de conformado innovadores que aprovechan la buena formabilidad de estas aleaciones a altas temperaturas para producir componentes más delgados, tal es el caso de proceso de endurecimiento por deformación y enfriamiento simultáneo denominado “Press Hardening Process”, que requiere de un diseño de herramental más sofisticado para cubrir las necesidades del proceso en caliente con enfriamiento simultáneo. Estos desarrollos conllevan el requerimiento de la industria de manufactura, principalmente la automotriz, por aleaciones grado herramienta para trabajo en caliente de mayores especificaciones que las existentes en el mercado, especialmente aquellas con alta conductividad térmica (de hasta 40W/mK), sin menoscabo de sus propiedades mecánicas. El presente trabajo contribuye al desarrollo de esta clase de aleaciones y al entendimiento de los mecanismos que contribuyen al incremento de la conductividad térmica a temperaturas elevadas en aceros martensíticos Para ello, se diseña una composición química novedosa para un acero grado herramienta, basada en aleaciones convencionales y recién desarrolladas, así como en predicciones de microestructura y propiedades físicas, basadas en análisis termodinámicos en el software comercial JMatPro, para finalmente obtener un acero herramienta aleado con W y Mo que alcanza las especificaciones para trabajo en caliente, incluyendo una conductividad térmica mayor que los aceros grado herramienta convencionales, la cual es un parámetro indispensable en el diseño del herramental para el estampado en caliente con enfriamiento simultáneo. El acero se fabricó en un horno de inducción a nivel laboratorio, se procesó termomecánicamente para refinar la estructura y se sometió a secuencias de tratamientos térmicos de temple y revenido, determinando los parámetros más adecuados para obtener una microestructura idónea para la herramienta de conformado en caliente, combinada con el mayor coeficiente de conductividad térmica posible. Se realizó una caracterización detallada de las caracteristicas microestructurales y propiedades físicas del acero sometido a las diferentes secuencias de tratamientos térmicos, como dureza, capacidad calorífica, difusividad térmica, dilatación térmica y conductividad térmica. De esta manera se obtuvo una correlación entre microestructura, dureza y conductividad térmica. Adicionalmente se identificaron los carburos W6C2.54, W2C, C1Mo1.5W0.5 por técnicas de extracción y DRX. Se logró el objetivo de obtener una conductividad térmica máxima de 49 W/m K a 50 °C mediante una secuencia de 3 revenidos, que se atribuye a la modificación de los carburos pequeños, con durezas ligeramente menores que el acero comercial (563 contra 605 HV) pero aún en el intervalo empleado a nivel industrial. Se comprobó de esta manera que una alternativa viable para la fabricación de herramentales para procesos de deformación en caliente con enfriamiento son los aceros martensíicos con secuencias de revenido y presencia de carburos de W y Mo, que otorgan la combinación adecuada de conductividad térmica y resistencia mecánica. ABSTRACT: The incorporation of new alloys has significantly contributed to the development of components with selective mechanical properties, therefore, there have been developed innovative forming processes to take advantage of the good formability of these alloys at higher temperatures for producing thin components, this is the case of the Press Hardening Process, which requires of a sophisticated tool design for fulfill the requirements of hot process with simultaneous cooling. These new family of alloys causes new requirements in the manufacturing industry, especially in the automotive for hot work tool steels, especially with high thermal conductivity (up to 40 W/mK), but keeping their mechanical properties. This project is intended to serve as a guideline for the development of this tools steels and the understanding of the mechanisms that contribute to the increase in the thermal conductivity at high temperatures in martensitic steels. For that purpose, based on conventional and recently developed alloys, as well as on specialized software for the prediction of physical properties of steels (JMatPro), the chemical composition of new tool steel is designed and fabricated at laboratory scale. That allows us to obtain an alloy with W and Mo that meets the needs of a hot work tool with a high thermal conductivity, essential for the tool design of press hardening process with simultaneous cooling. The steel was manufactured in an induction furnace, it´s process thermomechanically to refine the microstructure and it was subjected to heat treatment sequences of quenching and tempering, determining the parameters to obtain the adequate microstructure for the tool for hot work in combination with the higher thermal conductivity coefficient. It was performed un detailed characterization of the microstructural properties, mechanical (hardness), and thermal (specific heat capacity, thermal diffusivity, thermal expansion and thermal conductivity) obtained by heat treatments, which allows to obtain the relation between microstructure, hardness and thermal conductivity. A correlation between microstructure, hardness and thermal conductivity was obtained. Additionally, the carbides W6C2.54, W2C, C1Mo1.5W0.5 were identified by extraction- and DRtechniques It was obtained a maximal thermal conductivity of 49 W/m K at 50 °C through a sequence of 3 tempering processes, which is attributed to the modification of small carbides, with hardness slightly lower than a commercial tool steel (563 against 605 HV) but in the range used at the industrial level. This work shows as alternative for the production of tool steels for high temperature deformation with cooling, martensitic steels with sequences of tempering and the presence of carbides of W and Mo, to gt an excellent combination of high thermal conductivity and mechanical resistance.