09MnNiDR frente a 15MnNiDR: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen elegir entre grados de aleación muy similares al buscar un equilibrio entre resistencia, tenacidad, soldabilidad y coste. El 09MnNiDR y el 15MnNiDR son dos aceros al carbono-aleados que se utilizan en recipientes a presión, componentes estructurales y estructuras pesadas donde se requiere una combinación de resistencia y tenacidad a la entalla. Las decisiones típicas incluyen equilibrar la resistencia a la fractura frágil y el comportamiento ante impactos a baja temperatura con una mayor resistencia o un menor coste del material, y elegir el grado que minimice los requisitos de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

La principal diferencia práctica entre ambos grados radica en su composición de aleación, que influye en la templabilidad y la resistencia a la fractura frágil: un grado está formulado para maximizar la tenacidad a la entalla y minimizar el riesgo de fragilización en zonas frías o templadas, mientras que el otro modifica su composición para aumentar la resistencia mecánica y al desgaste, a costa de una menor tenacidad y una mayor sensibilidad al endurecimiento en la zona afectada por el calor (ZAC). Por ello, los diseñadores suelen compararlos al especificar materiales para equipos a presión, aplicaciones criogénicas o bajo cero, o estructuras soldadas sometidas a cargas elevadas.

1. Normas y designaciones

• Marcos comunes nacionales e internacionales donde se especifican grados equivalentes o relacionados:
• GB (República Popular China) — estos nombres de grado siguen patrones de designación chinos típicos.
• EN (europeo) e ISO: pueden existir equivalentes funcionales relacionados, pero con nombres diferentes.
• Las normas JIS (Normas Industriales Japonesas) y ASTM/ASME ofrecen grados comparables de acero estructural o para recipientes a presión; puede que no exista una equivalencia directa uno a uno en los nombres.
• Clasificación del tipo de material:
• Tanto el 09MnNiDR como el 15MnNiDR son aceros aleados de carbono-manganeso (no inoxidables). Se utilizan habitualmente como aceros de baja aleación con tenacidad mejorada (a menudo clasificados dentro de las categorías de aceros aleados para recipientes a presión o estructurales, en lugar de aceros para herramientas o inoxidables).
• No son aceros para herramientas ni aceros inoxidables; se caracterizan mejor como aceros de baja aleación/tipo HSLA diseñados para la tenacidad.

2. Composición química y estrategia de aleación

A continuación se presenta una comparación cualitativa de los principales elementos de aleación y sus efectos previstos. Los porcentajes nominales exactos varían según la norma y el fabricante; la tabla describe los niveles y funciones relativos, no cifras específicas.

Elemento	09MnNiDR (nivel relativo y función)	15MnNiDR (nivel relativo y función)
C (carbono)	Inferior: enfatiza la tenacidad y la soldabilidad.	Mayor — aumenta la resistencia y la dureza
Mn (manganeso)	Medio — desoxidante, fortalecedor de solución sólida, templabilidad	Medio — función similar; puede ser ligeramente superior para favorecer la fuerza
Si (silicio)	De bajo a trazas — desoxidación	De bajo a trazas
P (fósforo)	Bajo nivel controlado (impureza)	Bajo nivel controlado (impureza)
S (azufre)	Bajo nivel controlado (impureza)	Bajo nivel controlado (impureza)
Cr (cromo)	Traza a baja — templabilidad, desgaste si está presente	Rastro a bajo
Ni (níquel)	Moderado — mejora la resistencia, especialmente a bajas temperaturas	De baja a moderada — puede ser inferior a 09MnNiDR
Mo (molibdeno)	Su presencia, ya sea mínima o nula, aumenta la endurecimiento.	Rastro o ausencia
V, Nb, Ti (microaleación)	Generalmente ausente o en trazas: refinamiento del grano donde se utiliza	En algunas variantes puede incluirse microaleación para aumentar la resistencia.
B (boro)	Generalmente ausente	Generalmente ausente
N (nitrógeno)	bajo controlado	bajo controlado

Explicación: Ambas calidades emplean la misma estrategia: carbono y manganeso como base, con níquel incorporado donde la tenacidad a bajas temperaturas es un factor determinante. La variante con menor contenido de carbono prioriza la reducción del endurecimiento en la zona afectada por el calor (ZAC) y una mejor soldabilidad; la variante con mayor contenido de carbono sacrifica ductilidad y soldabilidad a cambio de una mayor resistencia del metal base y una mayor resistencia al desgaste. El níquel favorece notablemente la ductilidad a bajas temperaturas y mejora la resistencia al impacto. El carbono aumenta la resistencia y la templabilidad, pero también incrementa la susceptibilidad a la martensita en la zona afectada por el calor (ZAC) y al agrietamiento en frío, a menos que se apliquen medidas de control de la soldadura.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructuras típicas:
• Las microestructuras normalizadas o enfriadas al aire para ambos grados serán predominantemente de ferrita con perlita y posiblemente bainita, dependiendo de la velocidad de enfriamiento y el contenido de aleación.
• La composición con menor contenido de carbono y mayor contenido de níquel (09MnNiDR) tiende a producir una matriz de ferrita-perlita más fina con mayor tenacidad y menor propensión a formar martensita frágil durante un enfriamiento rápido.
• El grado de mayor contenido de carbono (15MnNiDR) tiene una mayor fracción de volumen de perlita o constituyentes más duros bajo un procesamiento similar, lo que produce una mayor resistencia y dureza.
• Influencia del tratamiento térmico:
• Normalización: Refina el tamaño del grano, mejora la uniformidad; ambos grados responden bien, pero el 09MnNiDR muestra una tenacidad relativamente mejor después de la normalización debido a su menor contenido de carbono.
• Temple y revenido: ambos procesos aumentan la resistencia, y el 15MnNiDR alcanza una mayor dureza tras el temple; el revenido reduce la fragilidad, pero debe equilibrarse para mantener la tenacidad.
• Procesamiento termomecánico: El laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden aumentar la resistencia a través de estructuras bainíticas o de perlita fina; el 15MnNiDR se puede ajustar para obtener una mayor resistencia utilizando tales rutas, mientras que el 09MnNiDR generalmente enfatiza el enfriamiento controlado para mantener la tenacidad.

4. Propiedades mecánicas

Debido a que los valores exactos de las propiedades dependen del tratamiento térmico y la forma del producto, la tabla a continuación compara el comportamiento relativo esperado en lugar de números absolutos.

Propiedad	09MnNiDR (relativo)	15MnNiDR (relativo)
Resistencia a la tracción	Medio	Más alto
límite elástico	Medio	Más alto
Alargamiento (ductilidad)	Más alto	Más bajo
Resistencia al impacto (baja temperatura)	Mayor (mejor resistencia a la muesca)	Inferior (más sensible)
Dureza	De bajo a medio	Más alto

Interpretación: - El 15MnNiDR suele alcanzar mayor resistencia y dureza debido a su mayor contenido de carbono y a la posible microaleación; sin embargo, esto a menudo conlleva una menor elongación y una menor tenacidad al impacto, especialmente en la ZAT o a bajas temperaturas. - El 09MnNiDR generalmente ofrece una tenacidad y ductilidad superiores, lo que lo hace preferible donde la tenacidad a la fractura y la resistencia al agrietamiento frágil son críticas.

5. Soldabilidad

La soldabilidad se ve fuertemente afectada por el equivalente de carbono y la aleación que aumenta la templabilidad. Dos métricas empíricas comúnmente utilizadas para la soldabilidad son el equivalente de carbono IIW y el Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - 09MnNiDR: Su menor contenido de carbono y relativamente mayor contenido de níquel produce un equivalente de carbono menor y una templabilidad de la ZAT reducida, por lo que tiene una soldabilidad superior (menores requisitos de precalentamiento/PWHT, menor riesgo de agrietamiento en frío) en comparación con los aceros de mayor contenido de carbono. - 15MnNiDR: Un mayor contenido de carbono incrementa el equivalente de carbono, aumentando el riesgo de microestructuras duras y quebradizas en la ZAT y de fisuración en frío. Este grado suele requerir controles de soldadura más estrictos (precalentamiento, temperatura controlada entre pasadas, tratamiento térmico posterior a la soldadura según el espesor) y una mayor atención al control del hidrógeno. - El níquel mejora la soldabilidad al reducir las temperaturas de transformación y favorecer la tenacidad en la ZAT; por lo tanto, el contenido de níquel puede compensar parcialmente un mayor contenido de carbono, pero no completamente.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ambos grados no son inoxidables; su resistencia general a la corrosión es similar a la de los aceros al carbono de baja aleación. Las estrategias de protección incluyen:
• Galvanizado en caliente, sistemas de pintura/recubrimiento adecuados o revestimiento donde la corrosión sea un problema.
• Índices de acero inoxidable:
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros no inoxidables, pero a modo de referencia: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Debido a que el Cr y el Mo son bajos o están ausentes en estos grados, los índices de tipo PREN no guían la selección; en cambio, los sistemas de superficie determinan la longevidad en ambientes corrosivos.
• Seleccione 09MnNiDR o 15MnNiDR para aplicaciones estructurales o de presión donde se planifiquen sistemas de protección activa contra la corrosión; no asuma una resistencia intrínseca a la corrosión más allá de entornos moderados.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• 09MnNiDR: Una menor dureza y un menor contenido de carbono generalmente mejoran la maquinabilidad y producen una vida útil de la herramienta más predecible.
• 15MnNiDR: Una mayor resistencia/dureza puede aumentar el desgaste de la herramienta y requerir mayores tolerancias de mecanizado o herramientas especializadas.
• Conformabilidad y trabajo en frío:
• El 09MnNiDR presenta una mejor capacidad de doblado y conformado debido a su mayor ductilidad.
• El 15MnNiDR puede requerir fuerzas de conformado más elevadas y recocido para radios pequeños.
• Acabado superficial y postprocesamiento:
• Los grados de dureza más elevados suelen requerir estrategias de rectificado y acabado diferentes; ambos son fácilmente soldables y mecanizables con los procedimientos de mejores prácticas, pero el 15MnNiDR exige más atención.

8. Aplicaciones típicas

09MnNiDR (usos típicos)	15MnNiDR (usos típicos)
Recipientes a presión y calderas donde se prioriza la tenacidad a bajas temperaturas y la soldabilidad.	Componentes que requieren mayor resistencia del metal base y resistencia al desgaste (engranajes, ejes en maquinaria pesada)
Componentes para servicio criogénico o bajo cero donde la resistencia a las muescas es fundamental	Elementos estructurales sometidos a cargas más elevadas, donde una mayor resistencia reduce el espesor de la sección
Secciones soldadas de gran espesor donde se debe maximizar la resistencia a la ZAT	Piezas propensas al desgaste o donde se puede aplicar un tratamiento térmico posterior para lograr resistencia

Justificación de la selección: Elija la calidad cuyo equilibrio entre tenacidad y resistencia se ajuste a las condiciones de servicio. Para componentes soldados, gruesos o de baja temperatura, priorice el 09MnNiDR. Para aplicaciones donde una mayor resistencia y una vida útil prolongada compensan las consideraciones de tenacidad a la entalla y donde los controles de soldadura son aceptables, el 15MnNiDR puede ser apropiado.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo:
• El 15MnNiDR suele ser ligeramente más económico por unidad si su composición química se basa más en el carbono y menos en el níquel (el níquel es un factor determinante del coste). Sin embargo, el coste total de fabricación puede ser mayor debido a la preparación para la soldadura y los requisitos adicionales de tratamiento térmico.
• El 09MnNiDR puede resultar más caro en cuanto a costos de material si incluye un mayor contenido de níquel, pero puede reducir el costo total del proyecto al disminuir el precalentamiento/PWHT y el retrabajo.
• Formatos y suministro del producto:
• Ambos grados suelen estar disponibles en forma de placas, forjados y laminados en las regiones donde son estándar. La disponibilidad depende de la estandarización regional y de los programas de producción de las acerías; si un proyecto tiene plazos de entrega ajustados, confirme los plazos de entrega para el grado y la forma del producto elegidos.

10. Resumen y recomendación

Criterio	09MnNiDR	15MnNiDR
Soldabilidad	Mejor (menor CE, menor riesgo de agrietamiento en la ZAT)	Más exigente (mayor CE, necesita control de precalentamiento/PWHT)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Favorece la tenacidad y la ductilidad	Favorece una mayor resistencia y dureza.
Costo (proyecto total)	Coste total potencialmente menor debido a la reducción de la soldadura/tratamiento térmico.	El material puede ser más barato por kg, pero los costes de fabricación pueden aumentar.

Conclusiones: - Elija 09MnNiDR si: - La aplicación requiere una alta tenacidad a las muescas, especialmente a bajas temperaturas. - Se prevé una soldadura extensa o secciones de gran espesor donde la tenacidad de la ZAT y el bajo riesgo de fractura frágil son prioritarios. Minimizar el precalentamiento, el tratamiento térmico posterior a la soldadura y el retrabajo es importante para el control del cronograma y los costos del proyecto. - Elija 15MnNiDR si: - Una mayor resistencia del metal base o una mayor resistencia al desgaste es el principal factor determinante del diseño. - El plan de fabricación incluye procedimientos de soldadura controlados, precalentamiento adecuado y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) cuando sea necesario. - Se puede aceptar una tenacidad a bajas temperaturas ligeramente reducida a cambio de una mayor resistencia o un menor coste inicial del material.

Recomendación final: especifique el grado que mejor se ajuste al modo de falla que necesita evitar con mayor urgencia. Si la fractura frágil, el agrietamiento en la zona afectada por el calor (ZAC) o el servicio a baja temperatura son las principales preocupaciones, opte por la composición de menor carbono y alta tenacidad. Si la reducción de sección, el desgaste o la resistencia estática máxima son los factores determinantes y la soldadura puede controlarse rigurosamente, la composición de mayor carbono puede ser preferible. Confirme siempre las especificaciones químicas y mecánicas exactas del grado elegido con el certificado de fábrica y planifique los procedimientos de soldadura considerando el equivalente de carbono calculado y el riesgo del proyecto.