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 follows: W-water quench, S impact resistance, O, A, D cold working, H hot working, T and M high speed steels; and L for special purposes. Tool steels are a high quality steels with narrow chemical composition and tolerances because these steel are employed to make tools for a very specific purpose. These tool steels have important quantities of W, Mo, V and Cr, which allow them to satisfy severe demands in service, to have dimensional control and free of cracks during their heat treatment.

 Los aceros de herramienta se clasifican en: W de temple en agua, S resistentes al impacto, O, A, D para trabajado en frío, H para trabajado en caliente, T y M aceros de alta velocidad y L para propósitos especiales.  Los aceros de herramienta son aceros de alta calidad con una composición química y tolerancias muy cerradas, ya que estos aceros son utilizados para fabricar herramientas para un uso definido.  Estos aceros de herramienta contienen cantidades importantes de W, Mo, V y Cr, lo cual les permite cumplir con las demandas severas en servicio, tener un control dimensional y libres grietas durante su tratamiento térmico.

Applications Most of the tool steels are widely employed to make components of machinery and structural applications where severe requirements are needed such as high temperature springs, high mechanical properties of seat belts, valves for special purposes, punches and dies; wear resistance coatings, bearing of several types for high temperature service, etc. The performance of tool steels will depend of: 1) Precision of tool making, 2) Selection of steel, 3) The application of the right heat treatment.

Aplicaciones La mayoría de los aceros de herramienta son ampliamente utilizados para componentes de maquinaria y aplicaciones estructurales donde requisitos severos se deben de cumplir tal como resortes de alta temperatura, altas propiedades mecánicas de los cinturones de seguridad, válvulas para propósitos especiales, punzones y dados; revestimientos resistentes al desgaste, cojinetes de varios tipos para servicio a alta temperatura, etc.  El desempeño del acero de herramienta depende de: 1)La precisión con la cual la herramienta es fabricada, 2) La selección del propio acero, 3) El tratamiento térmico correcto.

Phase diagram

 Fe-C phase diagram where are represented the transformations of carbon steels with temperature, where heating (or cooling) is performed very slowly such as the diffusion process (homogenization) will have time to finished.

Diagrama de fase

 Diagrama de fases Fe-C en donde se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, en donde el calentamiento (o enfriamiento) se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.

Ferrite

Ferrita

 Fe is present in three allotropy states as the temperature increases from room temperature to 911°C (AC3). Fe crystallizes as a face centered cubic system and is known as Fe- or ferrite.

 El Fe esta presente en tres estados alotrópicos a medida que la temperatura incremente desde la temperatura ambiente a los 911°C (AC3).El fe recristaliza en el sistema 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 ferromagnetic until the 770 °C (Curie temperature).  Ferrite can dissolve small amounts of carbon.

 Es un material dúctil y maleable, responsable por la buena deformación de los aceros bajo carbono y es ferromagnético hasta los 770°C (temperatura de Curie).  La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono.

Austenite  From 911°C to 1400 °C, Fe crystallizes in the face centered cubic system and is known as Fe- (gamma) or austenite.

 Austenite is deformed easily and is paramagnetic. Between 1400°C and 1538 °C crystallized again in the body centered cubic system and is know as Fe (delta).  If carbon is added to iron, iron carbide is formed (Fe3C). This is a defined chemical compound which is named as cementite, in such a way that carbon steels are formed for ferrite and cementite.

Austenita Entre los 911°C y 1400 °C, Fe cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas y recibe el nombre de hierro γ (gama) o austenita.

 La austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética. Entre los 1400°C y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe el nombre de hierro-δ (delta).

 Si se añade carbono al hierro este se combina formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe el nombre de cementita de modo que los aceros aleados al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

Ledeburite  Fe-C phase diagram shows two specific compositions: Eutectic and ledeburite (4.3% de carbono , 64.5 % cementite).  Ledeburite is present in steels when the carbon content is > 2% and is responsible for the bad workability of steels and mark the frontier between wrought steels and cast irons.

Ledeburita  El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones específicas: Eutectico y ledeburita (4.3% de carbono , 64.5 % cementita).  Ledeburita esta presente en los aceros cuando el contenido drbono es >2% y es la responsable de la mala forjabilidad de los aceros, marcando la frontera entre los aceros forjables y las fundiciones.

Eutectoid  A eutectoid transformation occurs in steels with 0.8 % C at 727°C. The resulting microstructure is known as pearlite. • Pearlite is formed by two alternate layes of ferrite and cementite.

Eutectoide  Una transformación eutectoido se lleva a cabo en los aceros con 0.8% C a 727°C. La estructura resultante es conocida como perlita.  La perlita esta formada por capas alternas de ferrita y cementita.

• Hypoeutectoid steels (C 0,80% C). Al enfriarse (por debajo de Acm), se forma el carburo de hierro y la microestructura final consiste de granos de perlita en una matriz de cementita.

Heat treatment

 With few exceptions, tool steels will be heat treated with the purpose to obtain their desirable properties such as wear resistance, deformation resistance, fracture under high loads, resistance to softening at high temperatures.  Most of the tool steels are conformed or machined out to obtain their final form and then heat treated.

Tratamiento térmico

 Con pocas excepciones, todos los aceros de herramienta deberán de ser tratados térmicamente para obtener combinaciones específicas de resistencia al desgaste, resistencia a la deformación o ruptura bajo altas cargas y resistencia al ablandamiento a temperaturas elevadas.

 La mayoría de los aceros de herramienta son conformados o maquinados para producir la forma requerida y entonces tratados térmicamente.

Hot working-Heat treatment

Trabajado en calienteTratamiento térmico

As-received material

Condición de recibido

 To start with the heat treatment of tool steel, the as-received material normally is in the as-annealed condition with a hardness between 200 to 250 HB (20HRc).

 Para el tratamiento térmico de los aceros de herramienta, estos normalmente se entregan con un recocido con una dureza entre los 200 a 250 HB (20 RC).

 The tool steel normally are machined out to obtain the desirable shape.

 Los aceros de herramienta generalmente requieren de un maquinado.



 AISI W2 (1.05%C), recido de esferodizad

AISI W2 (1.05% C), spherodized annealed

 With the aim that tool steels present the apropiated properties, will be heat treated.  Each heat treatment cycle will be performed taking into account its chemical composition and carried out in a proper way because will betermined the performance of the tool steel.

 Con el propósito de que estos aceros de herramienta presenten las propiedades deseadas, deben de ser tratados térmicamente. • Cada ciclo de tratamiento térmico deberá de realizarse tomando en cuenta su composición química y realizarse de manera adecuada ya este determinará el desempeño de la herramienta. wi

Preheating

Precalentamiento

 The first stage of heat treatment cycle for tool steels consists in a preheating below the critical transformation temperature, with a low heating rate because these steels are susceptible to thermal shock and to the volume change due to the transformation from ferrite austenite.

 La primera etapa del ciclo de tratamiento térmico de los aceros de herramienta, consiste en un precalentamiento por debajo de la temperatura crítica de transformación, la cual deberá de realizarse de manera lenta, ya que estos aceros son susceptibles al choque térmico y al cambio de volumen cuando pasan de la estructura ferrita austenita.

 Preheating of steel will allows: • 1) To eliminate residual stresses for the machining process. • 2) Decreases the necessary time for quenching, decreasing decarburizing and oxidation. • 3) Decreases deformation. • Preheating temperatures are between 650°C to 700°C for carbon steels and >900°C for hot working and high speed steels.

 El precalentamiento de los aceros de herramienta permite: • 1) Eliminar los esfuerzos residuales del proceso de maquinado. • 2) Disminuye el tiempo necesario para templar, disminuyendo la decarburización y oxidación. • 3) Disminuye la deformación. • Las temperaturas de precalentar varían de 650°C a 700°C para los aceros normales y se incrementa a temperaturas >900°C para los aceros de trabajo en caliente y los aceros rápidos.

T and soaking time  When the austenizing temperature is reached, the main alloying elements will be as dispersed carbides in an austenite matrix.  A this stage, the austenizing temperature and its soaking time will be important because exits a compromise between austenite grain size a carbides.

T y tiempo de permanencia  Cuando se alcanza la temperatura de austenización, los elementos principales se encontraran en forma de carburos contenidos y dispersos en una matriz austenitica.  En esta etapa, es importante la temperatura de austenización y su tiempo de permanencia, ya que se debe de tener un compromiso entre el tamaño de grano austenítico y de carburos.

Heat treatment cycle  During the heat treatment cycle, it is important to monitor its temperature because allow its modification in the last stage.

Ciclo de tratamiento térmico  Durante el tratamiento térmico de temple, su monitoreo es esencial, ya que permite su modificación en su última etapa.

Soaking temperature  Chemical composition of tool steels has an impact in their properties.  These tool steels require a precision heat treatment. For instance for cold working tool steels, a fine grain size is needed in order to have good resistance to abrasion and wear.  Therefore, the soaking time will be controlled to avoid the full dissolution of carbides. In industry, these steels are oil quenched from 960°C, while the hot working tool steel are quenched in oil or gas from up to 1120°C.  High speed steels are quenched in oil or gas from up to 1250°C.  Soaking temperature represent a compromise between austenitic grain growth and carbide dissolution.

Temperatura de austenización  La composición química de los aceros de herramienta tiene un impacto en sus propiedades.

 Estos aceros de herramienta requieren un tratamiento térmico de precisión. Por ejemplo, para los aceros de herramienta para trabajado en frío, se requiere de un tamaño de grano fino para mejorar su resistencia a la abrasión y al desgaste.  Por lo que la temperatura de austenización deberá de controlarse para evitar la completa dissolució de los carburos. En la industria estos aceros son templados en aceite desde los 960°C, para los aceros de herramienta para trabajado en caliente se templan en aceite o gas desde los 1120°C.  Los