Materiales Utilizados en la Construcción de Moldes

Ya lo referimos que el acero y el aluminio son los metales más comúnmente ocupados para la construcción de moldes. Vamos a analizar en resumen estos dos tipos de materiales.

Aceros

Introducción

Existe una gran variedad de aleaciones de acero, pero las que más se ocupan en la construcción de moldes pertenecen a los grupos con los códigos 1.1xxx, 1.2xxx y 1.4xxx de acuerdo con la norma europea EN 10027-2:2004- Designations Systems for Steel. Part 2: Numerical Systems. Por esta razón, en el Cuadro 3 se describen apenas los aceros de estos grupos. En este enlace se pueden visualizar todos los códigos.

Otro sistema de clasificación de aleaciones es el Unified Numbering System (UNS); este es constituido por un prefijo (una letra), seguido de cinco dígitos numéricos (puede verlo en este enlace).

Para las aleaciones de acero que más se ocupan en la construcción de moldes, corresponden las siguientes designaciones:

La selección de la aleación de acero depende de varios factores, en específico los de naturaleza constructiva. El tipo y numero de cavidades, el proceso de moldeo, el tipo de caucho, su abrasividad y la utilización prevista para el molde (por ejemplo, el número de ciclos deseados), estos son los factores que de igual forma intervienen en esta decisión. Para números de producción muy altos, la selección de un acero de buena calidad se revela, por lo general, una buena inversión.

Los moldes en acero presentan, comparativamente al aluminio, muchas ventajas. Además de las ya presentadas, más resistencia y una durabilidad incuestionablemente más larga, también hay que considerar también:

Los moldes en acero están habilitados a ejecutar más de 3.0 millones de ciclos de producción, lo que depende de varios factores, como, por ejemplo:

Por ejemplo, el acero AISI del tipo 4130 (UNS G41300) puede proporcionar 2.5 millones de ciclos de producción y el acero AISI tipo P20 (EN/ISO 1.2330, UNS T51620) puede proporcionar más de 3.0 millones de ciclos de moldeo.

Las características de algunos tipos de aceros más ocupados en la construcción de moldes, de acuerdo con la nomenclatura EN 10027-2, son las indicadas en el Cuadro 4.

En el Cuadro 5 se indican los correspondientes enlaces de internet, onde se pueden ver otras características.

El acero inoxidable también se ocupa en la construcción de moldes o parte de estos, en específico las partes sujetas a procesos de corrosión (originadas por elastómeros halogenados). Es una aleación que proporciona una dureza elevada, resistencia a la corrosión, resistencia mecánica y resistencia al desgaste por abrasión. Aún proporciona una elevada estabilidad dimensional y un elevado grado de pulido. Todavía, no es adecuado para superficies texturizadas.

En el Cuadro 6 se indican algunas aleaciones de aceros inoxidables más utilizados y sus propiedades. En el Cuadro 7 se indican los correspondientes enlaces de internet, adonde se pueden visualizar otras características.

 

Tratamientos térmicos del acero    

Los aceros que se suministran para el fabrico de moldes están en la condición de recocidos. El tratamiento proporcionado de recocido les retira la dureza que les confiere el temple y, si el acero fue sometido a trabajos de forja, de laminado o de trefilado, elimina las tensiones internas creadas en estas operaciones. Un acero recocido es menos duro y más dúctil, por eso su maquinado es mucho más fácil.

Después de maquinadas las partes de un molde, hay que tratar térmicamente el acero, de manera a obtener un grado de dureza que le permita soportar los esfuerzos a que se somete en los procesos de moldeo. Por otro lado, obtiene una mejor resistencia al desgaste, lo que le confiere una más grande durabilidad. Un valor típico del grado de dureza de un acero adecuado para moldes de inyección es de 55 HRC (Dureza Rockwell C), que equivale a una dureza de Brinell 552 HB.

Vamos a describir, de manera resumida, el tratamiento térmico a que se debe someter un molde construido en un tipo de acero convencional (pero adecuado a la ejecución de moldes). Naturalmente vamos a seguir las recomendaciones del fabricante de la aleación que se eligió, las cuales toman en cuenta la aleación, su composición química, la evolución de sus propiedades con la secuencia del tratamiento y la dureza que se requiere en el producto final.

Vamos a considerar un acero con bajo contenido de carbono (0.4%) y un alto contenido de cromo (5.2%) – el acero 1.2344 (EN10027-2) o H-13 (AISI – American Iron and Steel Institute). Las características técnicas de esta aleación están disponibles en el documento H-13 Hot Work Tool Steel Data Sheet.

Para entender mejor el ciclo de tratamiento, vamos a presentar el conocido diagrama del Sistema Hierro-Carbono (Figura 1).

Figura 1 – Diagrama del sistema Hierro-Carbono

 

Fase 1 – Precalentamiento

Para minimizar distorsiones, sobre todo en moldes complejos, se debe efectuar un precalentamiento en dos fases. La velocidad de subida de la temperatura debe ser alrededor de los 220 °C por hora. En la primera fase, se debe llevar el molde a una temperatura de 620 a 680 °C. Dejar estabilizar todo el material del molde a esta temperatura (30 minutos se suponen suficientes). Con la misma velocidad de calentamiento subir la temperatura para 815 a 870 °C. Dejar estabilizar de nuevo toda la masa del molde a esta temperatura (se supone que 30 minutos son suficientes).

Fase 2 – Austenización

Concluida la estabilización, la temperatura del molde debe ser elevada rápidamente para 982 °C, para obtener un acero con una tenacidad más elevada, o a 1032 °C para obtener un acero de dureza más elevada, más grande resistencia al agrietamiento por fadiga térmica y más grande resistencia al desgaste.

Fase 3 – Temple

Acero con espesor hasta 125 mm se puede templar al aire, con eso se obtiene un nivel suficiente satisfactorio de endurecimiento. Espesores superiores requieren un enfriamiento más rápido, se pueden utilizar diversos fluidos, como se indica en el Cuadro 8.

 

Cuadro 8 – Fluidos para temple

Agua Agua con cloruro de sodio Agua con polietileneglicol Argón presurizado Nitrógeno + Helio (presurizados) Nitrógeno (presurizado) Circulación de aire forzado Helio (presurizado) Mezcla de sales fundidos (mezcla eutéctica de nitratos de sodio e de potasio, y nitrito de sodio) Aceites de temple Temple criogénico (con nitrógeno o helio líquidos)

 

Con aire presurizado, la velocidad de enfriamiento, por debajo de los 538 °C, debe ser de 28 °C/minuto, de manera a obtener las mejores características para el acero. Si se ocupa un aceite de temple, la inmersión en este fluido se debe procesar hasta 492 °C, prosiguiendo el enfriamiento con aire hasta llegar a la temperatura de 51 a 66 °C.

Los tiempos de temple dependen del medio ocupado (a saber, de su coeficiente de transferencia de calor – ver la Figura 2) y del espesor del acero a templar. Por lo general están entre una decena de segundos y algunos minutos. 

Figura 2 – Coeficientes de transferencia de calor de algunos fluidos que se utilizan en el temple.

 

Fase 4 – Revenido

De inmediato después del ciclo de temple hay que efectuar el revenido. Una temperatura típica de revenido esta entre los 535 °C y los 620 °C. Calentar y mantener esta temperatura por un periodo de tiempo de 1 hora por cada 25 mm de espesor del acero, pero hasta un máximo de 2h. Para mejorar las propiedades del acero, se puede efectuar una operación adicional de revenido. Se puede efectuar una tercera operación de revenido para subir la tenacidad del acero. El enfriamiento se debe efectuar al aire.

 

Tratamientos Superficiales en Aceros

Cementación

Operación normalmente realizada en aceros con bajo contenido de carbono. Con la cementación se pretende conferir una elevada dureza superficial del acero, manteniendo internamente las características que tuviera conferidas en el revenido.

La cementación consiste en calentar el acero con substancias ricas en carbono.

Actualmente hay cinco tipos de Cementación:

 

Nitruración

La nitruración es un tratamiento térmico que también tiene por finalidad aumentar la dureza del acero en su camada superficial por formación de nitruros de hierro.

Esta operación se puede realizar en una atmosfera de nitrógeno o de amoníaco, a una temperatura de 500 °C a 525 °C (por lo regular, temperaturas inferiores a 720 °C), cuando la estructura del acero es cubica de cuerpo centrado, mucho más receptiva a la difusión del gas en el metal, facilitando así la formación de los nitruros. La operación se puede realizar también en medio líquido, en un baño de cianuro de sodio fundido, a 570 °C a 600 °C. Espesor de nitruración: 0.025 a 0.5 mm. La dureza obtenida es alrededor de 70 Rockwell C (o 760 Brinell HB).

 

Carbonitruración

La carbonitruración es un tratamiento térmico que también tiene por finalidad aumentar la dureza del acero en su camada superficial por medio de la formación de carburo y nitruro de hierro. La carbonitruración se realiza a una temperatura de 760 °C a 870 °C, en una atmosfera constituida por una mezcla de metano (CH₄) o propano (C₃H₈) con amoníaco (NH₃). Después de este tratamiento es necesario templar el acero en una atmosfera de gas natural. Espesor de nitruración: 0.1 a 0.75 mm. La dureza obtenida es de 60 a 65 Rockwell C (627 Brinell HB).

 

Aluminio

Introducción

Como ya lo platicamos, tradicionalmente se utilizaba el aluminio en el fabrico de moldes para ejecución de prototipos o de moldes para pequeñas corridas de producción. Ya lo mencionamos también que, actualmente, es un metal utilizado en la fabricación de varios tipos de moldes, sea para transformación de materiales elastoméricos, sea de materiales termoplásticos (moldeado por compresión o inyección), para corridas de grandes producciones.

Las siguientes aleaciones de aluminio son las más utilizadas en el fabrico de moldes (designación de acuerdo con la clasificación europea de ligas de aluminio – Norma EN 573-1):

En el Cuadro 9 se muestran las principales propiedades de estas aleaciones de aluminio y en el Cuadro 10 los enlaces de internet adonde se pueden observar otras características.

Los principales elementos de la aleación son el cobre, zinc, magnesio, silicio, manganeso y litio. Pueden presentarse en pequeñas cantidades otros elementos, tales como: el cromo, titanio, zirconio, plomo, bismuto y el níquel.

En la Figura 3 se indican muchas de las principales combinaciones de elementos de las aleaciones de aluminio.

Figura 3 – Los principales elementos de las aleaciones con aluminio

 

La clasificación europea de las Aleaciones de Aluminio

La clasificación europea de las aleaciones de aluminio (Norma EN 573-1) sigue la clasificación original de la organización americana The Aluminum Association (A), como se describe a continuación:

Los tipos de aleaciones de aluminio son clasificados en nueve clases, siendo cada tipo identificado por un código compuesto de 4 dígitos. El primero dígito identifica la clase, como se muestra en el cuadro 11.

 

Cuadro 11 – Clasificación de las aleaciones de aluminio
Elemento (s) de la aleación	Código
Ninguno elemento en la aleación (99% o más de aluminio)	1XXX
Cobre	2XXX
Manganeso	3XXX
Silicio	4XXX
Magnesio	5XXX
Magnesio + Silicio	6XXX
Zinc + Magnesio	7XXX
Litio	8XXX
Otras aleaciones	9XXX

 

Serie 1XXX

Serie de aluminio puro (aluminio con más de 99% Al) o comercial. Son aleaciones pasibles de endurecimiento por deformación y no se pueden endurecer térmicamente. Se destaca por su resistencia a la corrosión y altas conductividades, térmica y eléctrica. Presenta, sin embargo, baja resistencia mecánica. Los últimos dos dígitos indican el porcentaje de Al, por encima de los 99%.

Ejemplos:

El segundo digito presenta modificaciones en el límite de impurezas o la adicción de algún elemento de aleación. Si el segundo dígito es el 0 (cero), eso quiere decir que no se añadió ningún otro elemento al aluminio y presenta un límite de impurezas convencional. Los números 1 a 9 indican que hubo un control especial de una o más impurezas o la adicción de elementos a la aleación.

 

Serie 2XXX

Aleación de aluminio en la cual el cobre es el principal elemento de aleación. Son aleaciones pasibles de endurecimiento por precipitación y son térmicamente tratables. Estos tipos de aluminios sometidos a tratamientos de solubilización y envejecimiento tienen una elevada resistencia mecánica, siendo por este hecho utilizados en aplicaciones especiales (industria aeroespacial, por ejemplo). Los dos últimos dígitos no tienen significado numérico. Se destinan a identificar aleaciones secuencialmente diferentes del mismo grupo. El segundo dígito indica, también en este caso, modificaciones en el límite de impurezas o la adición de otros elementos a la aleación.

 

Serie 3XXX

El manganeso es el principal elemento de aleación. Son aleaciones pasibles de endurecimiento por deformación y no se pueden tratar térmicamente. Presentan puntos de fusión bajos y la imposibilidad de tratamiento térmico. Se utilizan también como material de adición para la soldadura.

 

Serie 4XXX

El silicio es el principal elemento de aleación. Son aleaciones pasibles de endurecimiento por deformación y no se pueden tratar térmicamente. Presentan bajos puntos de fusión y la imposibilidad de tratamiento térmico. Se utilizan como material de adición para la soldadura.

 

Serie 5XXX

El magnesio es el principal elemento de aleación. Son aleaciones pasibles de endurecimiento por deformación y no son tratables térmicamente. Su utilización es similar a la de la serie 3XXX.

 

Serie 6XXX

En esta clase son el magnesio y el silicio los dos principales elementos de aleación, lo cual resulta en la fase Mg₂Si, lo que hace posible el tratamiento térmico de solubilización y envejecimiento. Son aleaciones pasibles de endurecimiento por precipitación y se pueden tratar térmicamente. No son tan resistentes cuanto las de las clases 2XXX y 7XXX, pero son se utilizan en el fabrico de velocípedos, ya que pueden recibir soldadura.

 

Serie 7XXX

En esta clase de aluminios el zinc es el elemento de aleación. Son aleaciones pasibles de endurecimiento por precipitación y son térmicamente tratables. De los tratamientos térmicos resultan los más altos índices de resistencia mecánica y tenacidad. Tienen amplia aplicación en la industria aeroespacial.

 

Serie 8XXX

Otros elementos de aleación. El principal elemento de aleación es el litio. Son aleaciones pasibles de endurecimiento por precipitación y son térmicamente tratables. Presentan alta resistencia mecánica específica. Los dos últimos dígitos no tienen significado numérico, solo identifican distintas aleaciones del mismo grupo; son, por eso, números secuenciales. El segundo digito indica modificaciones en el límite de impurezas o la adición de elementos de aleación.

 

Serie 9XXX

Otras aleaciones de aluminio que no se encuadran en los tipos especificados anteriormente.

Los moldes en aluminio, a saber, para procesos de moldeo por inyección, son generalmente fabricados con aleaciones de las series 6XXX y 7XXX. Los tipos de aluminio QC-7 y QC-10, producidos por la empresa Alcoa (aluminios de la serie 7XXX), son muy utilizados en esta aplicación. Tienen una elevada dureza y conductividad térmica. Son pasibles de operaciones de soldadura con todos estos tipos de aleaciones de aluminio.

 

Tratamientos térmicos del aluminio (series 6XXX y 7XXX)

Solo vamos a referir los tratamientos térmicos aplicados a estas clases de aleaciones de aluminio por el hecho de que son estas dos series las que nos interesan para el fabrico de moldes.

Ya describimos algunos de los tratamientos térmicos que se aplican a los aceros. En el caso del aluminio o de sus aleaciones, los tipos de tratamientos que se aplican presentan características distintas. Su finalidad es, sobre todo, aumentar su resistencia mecánica y la dureza de las aleaciones que sean pasibles de un endurecimiento por fenómenos de precipitación.

 

Clase 6XXX

Estas aleaciones de aluminio tienen, como se ha dicho, magnesio (0.6 a 1.5%) y silicio (0.4 a 1.3%) como elementos de aleación. Estos dos elementos reaccionan y forman siliciuro de magnesio (Mg₂Si). Es la formación de este compuesto que permite el tratamiento térmico en esta clase de aleaciones de aluminio. Muchas aleaciones de esta clase tienen una relación estequiométrica de 1.73 de magnesio para 1.0 de silicio, correspondiente al compuesto Mg₂Si. La solubilidad máxima del Mg₂Si en el aluminio es de 1.85%, correspondiente a una temperatura de 595 °C (ver Figura 4).

Figura 4 – Parcial del sistema Al-Mg-Si

 

Esta solubilidad disminuye con la temperatura, deriva de este hecho su precipitación (precipitación fina) lo que aumenta la resistencia mecánica de esta aleación.

El tratamiento térmico de este tipo de aleaciones consiste en calentar el metal hasta aproximadamente 520 °C y mantener a esta temperatura por un determinado período de tiempo, por ejemplo 5 horas. La temperatura exacta y el tiempo de mantenimiento a esa temperatura dependen de la aleación y se seguir rigorosamente las recomendaciones de su fabricante. Con este calentamiento se solubilizan completamente los elementos de la aleación (tratamiento de solución).

Entonces se sigue un enfriamiento muy rápido, por lo general en agua, lo que previene, temporalmente, la precipitación de los elementos de la aleación. Así se obtiene una Solución Sólida Super Saturada (SSSS). Esta condición es inestable y, poco a poco, los elementos de la aleación se precipitan de manera extremadamente fina, se obtiene de esta forma el máximo efecto de endurecimiento (envejecimiento).

En algunos tipos de aleaciones, esta precipitación ocurre de manera espontánea. Después de algunos días (envejecimiento natural – Figura 5) mientras, en otros tipos, ocurre por medio de un recalentamiento alrededor de 175 °C por algunas horas, seguido de un enfriamiento lento (tratamiento de precipitación – Figura 6).

 Figura 5 – Tratamiento térmico de aleación de aluminio 6XXX, con envecimiento natural.

 

Figura 6 – Tratamiento térmico de aleación de aluminio 6XXX, con tratamiento de precipitación.

 

Pequeñas cantidades de manganeso y de cromo pueden también adicionarse para mejorar la resistencia mecánica y controlo de estructura de la aleación (tamaño del grano). La presencia de cobre también mejora la resistencia de la aleación; todavía, si está en proporción superior a 0.5%, perjudica la resistencia a la corrosión. Estas aleaciones ofrecen buena ductilidad, buen maquinado y buena resistencia a la corrosión. Permiten soldadura.

 

Clase 7XXX

En esta clase de aleaciones, combinaciones de 4.0 a 8.0% de Zinc con 1 a 3% de magnesio posibilitan la formación de MgZn₂, compuesto que posibilita el tratamiento térmico de la aleación. Estas tienen una elevada resistencia mecánica. Combinaciones de aluminio con zinc, magnesio y cobre, originan aleaciones con la más elevada resistencia mecánica de todas las aleaciones de aluminio.

El mecanismo de endurecimiento de estas aleaciones es muy similar a los de las aleaciones de la clase 6XXX. Un aspecto menos positivo de estas aleaciones es su menor resistencia a la corrosión.