Evaluation of tool steels by standing contact fatigue testing

Abstract

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[EN] Tool steels are required to show high hardness and fracture toughness, as well as good wear resistance. Furthermore, other properties such as chipping and contact fatigue resistance are also essential in order to improve the life-time of the tool. The goal of this thesis is to analyze the chipping and contact fatigue resistance of several steels and try to evaluate the correlation between these two properties. On the one hand, the performance of different ausferritic or carbide-free bainitic steels as tool steels have been studied, by taking a high-silicon steel and subjecting it to two austempering treatments, to evaluate their properties next. On the other hand, several quenched & tempered commercial tool steel have been evaluated, produced either by conventional metallurgy, powder metallurgy or electro slag remelting. The microstructure and microhardness of all the steels have been studied first, and standing contact fatigue tests have been performed next. Finally, with the obtained results, the relation between the chipping resistance and contact fatigue resistance has been evaluated. Among the commercial tool steels Calmax, Vanadis 4 Extra and Caldie show much better standing contact fatigue resistance than AISI D2. Ausferritic steels have also shown good resistance, comparable to the Calmax or, in some cases, even better. Regarding the microhardness, ausferritc steels are not as hard as the commercial tool steels, but the values are not much lower than Calmax or AISI D2 for example. Finally, Caldie, the steel with the highest standing contact fatigue resistance shows, according to the provider, the best chipping resistance. The presented work has brought some insight to the evaluation of tool steels. Standing contact fatigue tests can be used to obtain useful information and the results indicate that there might be a relation between the SCF resistance and the chippingresistance. Moreover, it has been determined that ausferritic steels show properties similar to some commercial tool steels, and therefore, it would be possible to use them in some tool applications in the near future.

[ES] Los aceros para herramientas de corte requieren una gran dureza y tenacidad, a la vez que alta resistencia al desgaste. Además, otras propiedades tal y como la resistencia al astillamiento y a la fatiga de contacto son esenciales a la hora de mejorar la duración de servicio de la herramienta. El objetivo de este trabajo es analizar la resistencia al astillamiento y fatiga de contacto de diferentes aceros e intentar establecer una relación entre estas dos propiedades. Por una parte, el potencial de diferentes aceros ausferríticos o aceros bainíticos sin carburos utilizados como herramientas de corte ha sido estudiado. Para ello, se han aplicado dos diferentes tratamientos térmicos a un acero de alto contenido en Silicio y se han estudiado sus propiedades. Por otra parte, varios aceros para herramientas de corte comerciales, los cuales están templados y revenidos, han sido estudiados. Estos últimos aceros están producidos usando técnicas de la metalurgia convencional, pulvimetalurgia o refundición. En primer lugar, la miscoestructura y microdureza de los aceros ha sido estudiada, y tests de fatiga de contacto permanente han sido realizadas en segundo lugar. Finalmente, con los resultados obtenidos, la relación entre la resistencia a la fatiga y al astillamiento ha sido evaluada. De entre los aceros para herramientas de corte comerciales, Calmax, Vanadis 4Extra y Caldie han presentado mejores resultados en cuanto a la resistencia a la fatiga de contacto permanente que AISI D2. Los aceros ausferríticos también han presentado buenos resultados, comparables a los del acero Calmax o, en algunos casos, incluso mejores. En cuanto a la microdureza, los aceros ausferríticos no son tan duros como los aceros comerciales, pero los valores no son mucho más bajos que aquellos de los aceros Calmax o AISI D2, por ejemplo. Finalmente, el acero Caldie, que presenta los mejores resultados de resistencia a la fatiga, presenta también los mejores resultados de resistencia al astillamiento, según el proveedor. Este trabajo ha servido para aclarar algunas dudas a la hora de evaluar aceros para herramientas de corte. La información que se puede obtener mediante los test de fatiga de contacto permanente es muy útil, y los resultados indican que puede haber una relación entre esta propiedad y la resistencia al astillamiento. Por otra parte, se ha demostrado que los aceros ausferríticos presentan propiedades comparables a algunos de los aceros comerciales y, por lo tanto, que en un futuro no muy lejano será posible usarlos en aplicaciones para herramientas de corte.