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Process–Microstructure–Property Relationships in Binder-jetted AISI D2 Tool Steel: Effects of Sintering Temperature and Heat Treatment

Este estudio establece una relación proceso–microestructura–propiedad para el acero para herramientas AISI D2 mediante la identificación de una temperatura de sinterización óptima de 1.250 °C que logra una densificación casi completa, la cual, al combinarse con un tratamiento térmico posterior, mejora significativamente el rendimiento mecánico a través de la transformación martensítica y la homogeneización de la deformación de la red.

Autores originales: Jong Wan Ko, Heejun Cho, AWAL AFLIZAL ZUBIR

Publicado 2026-09-04

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CC BY 4.0

Autores originales: Jong Wan Ko, Heejun Cho, AWAL AFLIZAL ZUBIR

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina un material tan resistente que puede cortar el acero, pero tan frágil que se hace añicos si intentas darle forma con una máquina estándar. Esta es la paradoja del acero para herramientas AISI D2, una aleación de alto carbono y alto cromo utilizada para fabricar las cuchillas, troqueles y moldes que dan forma a nuestro mundo industrial. Durante décadas, los fabricantes han luchado por crear piezas complejas a partir de este acero porque los métodos tradicionales, como fundir y verter o desgastar el exceso de material mediante rectificado, suelen fallar. El acero es demasiado duro para mecanizarlo fácilmente y, cuando se funde, tiende a agrietarse al enfriarse. Para sortear esto, los ingenieros han recurcaído a una técnica llamada inyección de aglutinante (binder jetting). En lugar de fundir el metal, este proceso rocía un pegamento líquido sobre capas de fino polvo metálico para construir una forma, la cual luego se hornea en un horno para fusionar las partículas. Sin embargo, encontrar la temperatura de horneado perfecta para este acero específico es una tarea delicada. Si el calor es demasiado bajo, la pieza permanece llena de diminutos agujeros y débil. Si es demasiado alto, la estructura interna se engrosa y se descompone, arruinando la resistencia.

Un equipo de investigadores se propuso resolver este enigma probando exactamente cómo la temperatura de horneado y un tratamiento térmico final afectan la calidad final del acero AISI D2 obtenido por inyección de aglutinante. Comenzaron con un polvo fino y esférico de la aleación y utilizaron una máquina de inyección de aglutinante para imprimir pequeños bloques y barras. Después de que las piezas fueron impresas, fueron cuidadosamente horneadas en un horno a temperaturas que oscilaban entre los 1.200 y los 1.260 grados Celsius. Este rango estrecho fue elegido porque el acero experimenta una transformación crítica donde los diminutos y duros cristales dentro del metal comienzan a disolverse y fluir, ayudando a que la pieza se vuelva sólida. Los investigadores descubrieron que la temperatura marcaba una diferencia dramática. En el extremo inferior de la escala, las piezas permanecían porosas y débiles. A medida que la temperatura aumentaba, las partículas de metal se fusionaban más completamente y el número de diminutos agujeros disminuía. El punto ideal resultó ser los 1.250 grados Celsius. A esta temperatura específica, las piezas alcanzaron una densidad de casi el 99 por ciento, lo que significa que eran casi totalmente sólidas con muy pocos vacíos internos.

La historia no terminó con el horneado. Los investigadores sometieron luego las mejores muestras a un proceso de tratamiento térmico estándar utilizado para este tipo de acero. Calentaron las piezas a 1.010 grados Celsius para cambiar la disposición interna de los átomos, las dejaron enfriar al aire y luego las calentaron nuevamente a 200 grados Celsius para aliviar el estrés interno. Este segundo paso transformó el carácter del material por completo. Antes de este tratamiento, el acero era fuerte pero frágil, rompiéndose con muy poca deformación. Después del tratamiento térmico, el material se volvió significativamente más tenaz. Su capacidad de estirarse antes de romperse mejoró de un mero 1,28 por ciento a un 6,81 por ciento, y su resistencia a las fuerzas de tracción saltó de aproximadamente 860 megapascales a más de 1.300 megapascales. La dureza también aumentó ligeramente, alcanzando un nivel comparable al del acero de alta calidad fabricado por métodos tradicionales.

Para entender por qué sucedió esto, los científicos observaron el interior del metal utilizando herramientas de imagen avanzadas que mapean la orientación de sus diminutos cristales. Descubrieron que el horneado inicial a 1.250 grados Celsius creó una estructura donde los átomos del metal se dispusieron de tal manera que permitieran transformarse en una forma más dura y fuerte durante el tratamiento térmico. El tratamiento térmico causó que el metal pasara de una disposición más suave y flexible a una estructura rígida y acicular conocida como martensita, que es la responsable de la famosa dureza del acero. Además, el tratamiento térmico suavizó las tensiones internas que se habían acumulado durante los procesos de impresión y horneado, haciendo que el material fuera más uniforme y menos propenso a fallar inesperadamente. Los investigadores también observaron que los diminutos y duros cristales que se forman naturalmente en este acero se rompieron y se redistribuyeron uniformemente por todo el material, en lugar de agruparse en puntos débiles.

El estudio concluye que, si bien la inyección de aglutinante ofrece una vía prometedora para fabricar formas complejas de este difícil acero, la ventana de proceso es extremadamente estrecha. Una diferencia de solo unos pocos grados en la temperatura de horneado puede significar la diferencia entre una pieza casi perfecta y una defectuosa. Específicamente, hornear a 1.250 grados Celsius seguido de la secuencia de tratamiento térmico estándar produjo los mejores resultados, equilibrando una dureza extrema con la flexibilidad suficiente para ser útil. Este hallazgo proporciona una hoja de ruta clara para los fabricantes que desean utilizar la fabricación aditiva para crear herramientas de alto rendimiento, demostrando que, con un control preciso del calor, es posible superar las limitaciones tradicionales de esta resistente aleación.

Resumen Técnico: Relaciones Proceso–Microestructura–Propiedad en el Acero para Herramientas AISI D2 fabricado mediante Binder Jetting

Planteamiento del Problema
El acero para herramientas AISI D2, una aleación de alto carbono (1.4–1.6 % en peso) y alto cromo (11–13 % en peso), es ampliamente utilizado en aplicaciones de trabajo en frío por su excepcional dureza y resistencia a la compresión. Sin embargo, su alto volumen de carburos ricos en Cr ( $M_7C_3$ ) limita severamente la maquinabilidad, dificultando la fabricación de geometrías complejas mediante la manufactura convencional. Aunque las técnicas de manufactura aditiva (AM) basadas en láser, como la fusión por lecho de polvo (PBF) y la deposición de energía dirigida (DED), ofrecen flexibilidad de diseño, son propensas a la fisuración térmica y a problemas de transformación martensítica en aleaciones de alto carbono. El Binder Jetting (BJT), un proceso de AM basado en la sinterización que evita la fusión localizada, presenta una alternativa prometedora. No obstante, la fabricación de AISI D2 mediante BJT enfrenta desafíos significativos: una ventana estrecha de proceso de sinterización, un comportamiento complejo de disolución de carburos y una falta de comprensión sistemática sobre los efectos acoplados de la temperatura de sinterización y el tratamiento térmico posterior en la densificación, la microestructura y las propiedades mecánicas.

Metodología
Este estudio investigó sistemáticamente los efectos de la temperatura de sinterización y el tratamiento térmico post-sinterización en el acero para herramientas AISI D2 fabricado mediante BJT.

Material y Fabricación: Se utilizó polvo de AISI D2 atomizado por gas (D50 = 10.6 μm) impreso mediante un sistema Desktop Metal con un aglutinante (binder) a base de agua. Las piezas en verde pasaron por procesos de reticulación (crosslinking), desaglutinación (debinding) en una atmósfera de argón y sinterización.
Régimen de Sinterización: La sinterización se llevó a cabo en un rango estrecho de temperatura de 1,200 °C a 1,260 °C. Este rango se seleccionó para cubrir la transición de la difusión en estado sólido al inicio de la sinterización de fase sólido-líquido (SLPS), basándose en el diagrama de fases Fe-Cr-C. Las temperaturas incluyeron 1,200 °C, 1,220 °C, 1,240 °C, 1,250 °C y 1,260 °C.
Tratamiento Térmico: Las muestras sinterizadas óptimas fueron sometidas a un tratamiento térmico estándar: austenización a 1,010 °C durante 30 minutos, enfriamiento al aire y revenido a 200 °C durante 2 horas.
Caracterización: La densidad relativa se midió mediante el método de Arquímedes. La evolución microestructural se analizó mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) para evaluar la distribución de fases, los límites de grano y la desorientación local (KAM). Las propiedades mecánicas se evaluaron mediante dureza micro-Vickers y ensayos de tracción.

Resultados Clave

Comportamiento de Sinterización y Densificación: La temperatura de sinterización gobernó críticamente la densificación y la contracción. La densidad relativa aumentó gradualmente desde un 81.35% a 1,200 °C hasta un 93.92% a 1,240 °C. Una temperatura de sinterización óptima de 1,250 °C produjo una densificación casi completa (~99.13%). A 1,260 °C, aunque la densidad se mantuvo alta, aparecieron signos de sobre-sinterización, incluyendo el crecimiento de grano y la formación de poros intergranulares debido al exceso de fase líquida. La contracción fue anisotrópica, siendo el eje z el que exhibió una mayor contracción (~~21%) en comparación con los ejes x/y (~~15%) debido a la estructura de empaquetamiento de polvo estratificada.
Evolución Microestructural:
- Como Sinterizado (1,250 °C): La microestructura consistió en una matriz densa con poros homogeneizados. Sin embargo, el análisis EBSD reveló una fracción significativa de austenita retenida (fase FCC, ~41.8%) y cúmulos de carburos heterogéneos.
- Tratado Térmicamente: La austenización y el enfriamiento al aire indujeron una transformación casi completa a martensita (estructura BCC, ~95.6%). El revenido a 200 °C facilitó la fragmentación y reprecipitación de los carburos gruesos en partículas finas y globulares, además de homogeneizar la deformación de la red interna.
Propiedades Mecánicas:
- Como Sinterizado: El espécimen sinterizado a 1,250 °C alcanzó una resistencia a la tracción de 860.63 MPa y una dureza de 692.5 HV, pero exhibió un comportamiento frágil con solo 1.28% de elongación.
- Tratado Térmicamente: El tratamiento térmico posterior mejoró significativamente el desempeño, aumentando la resistencia a la tracción a 1,300.23 MPa y la elongación a 6.81%, con una dureza que ascendió a 720.85 HV. La mejora se atribuye a la transformación martensítica y a la estabilización de la microestructura mediante el revenido.

Significancia y Reivindicaciones
El estudio establece una ventana de procesamiento crítica para el AISI D2 mediante BJT, identificando 1,250 °C como la temperatura de sinterización óptima que equilibra la densificación casi total con la evitación del crecimiento de grano y la formación de redes de carburos. Los autores afirman que este trabajo proporciona una base fundamental de proceso–microestructura–propiedad para el desarrollo de componentes de acero para herramientas mediante BJT. Específicamente, la investigación demuestra que:

El control preciso de la temperatura de sinterización dentro del régimen SLPS es esencial para gestionar la disolución de carburos y la arquitectura de poros.
El endurecimiento posterior (austenitización) y el revenido no son meramente opcionales, sino pasos necesarios para transformar la microestructura tal como se sinteriza (dominada por austenita retenida) en una estructura martensítica de alta resistencia, mejorando sustancialmente el desempeño en tracción y ductilidad.
La combinación de una sinterización optimizada y un tratamiento térmico convencional puede producir AISI D2 mediante BJT con propiedades mecánicas (dureza y resistencia a la tracción) adecuadas para aplicaciones industriales de trabajo en frío, superando las limitaciones del estado de como sinterizado.

El artículo concluye que, si bien la resistencia a la tracción del material BJT tratado térmicamente (1,300 MPa) es inferior a la del D2 procesado mediante forja y tratamiento térmico convencional (1,608 MPa), las propiedades alcanzadas representan una vía viable para la fabricación de componentes de herramientas complejos y de alto rendimiento que de otro modo serían difíciles de fabricar.

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