10# vs 20# – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros al carbono de grado 10# y 20# son dos calidades ampliamente utilizadas en la fabricación y la construcción, y se especifican con frecuencia en las cadenas de suministro chinas y regionales. Al elegir entre ellos, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen sopesar las ventajas y desventajas del costo, la soldabilidad, la conformabilidad y la resistencia. Los contextos de decisión típicos incluyen si un componente requiere alta ductilidad y facilidad de unión (lo que favorece la opción con menor contenido de carbono) o mayor resistencia y resistencia al desgaste (lo que favorece la opción con mayor contenido de carbono).
La principal diferencia técnica entre estos grados radica en su contenido de carbono: el grado con menor contenido de carbono produce un material más blando y dúctil, con mejor soldabilidad y conformabilidad, mientras que el grado con mayor contenido de carbono aumenta la resistencia y la templabilidad a costa de una menor ductilidad y facilidad de soldadura. Dado que ambos son aceros al carbono con oligoelementos similares, se suelen comparar para piezas que deben equilibrar la maquinabilidad, la respuesta al tratamiento térmico y el coste.
1. Normas y designaciones
- GB (China): 10# y 20# son designaciones convencionales de acero al carbono simple en las normas chinas (a menudo utilizadas en las especificaciones de productos GB/T).
- JIS (Japón): Los grados nominales equivalentes en JIS utilizan nombres numéricos basados en el carbono (por ejemplo, S10C, S20C son grados comparables comunes).
- ASTM/ASME: Las normas estadounidenses generalmente utilizan la nomenclatura de grados A36, A106 o SAE; no siempre existen equivalentes directos uno a uno porque los grados ASTM especifican requisitos de propiedades mecánicas en lugar de la simple nomenclatura “10#”.
- EN (Europa): Las clasificaciones EN clasifican los aceros según los requisitos químicos y mecánicos (por ejemplo, C10 y C20 son conceptualmente comparables, pero deben tener referencias cruzadas).
- Clasificación: Tanto el acero 10# como el 20# son aceros al carbono (no aleados, inoxidables, HSLA ni para herramientas). Se utilizan habitualmente en la fabricación como aceros de bajo carbono (10#) y de carbono medio-bajo (20#).
2. Composición química y estrategia de aleación
| Elemento | Rango típico para 10# (aprox.) | Rango típico para 20# (aprox.) |
|---|---|---|
| Carbono (C) | 0,06–0,12 % en peso | 0,17–0,24 % en peso |
| Manganeso (Mn) | 0,25–0,60 % en peso | 0,25–0,65 % en peso |
| Silicio (Si) | 0,02–0,35 % en peso | 0,02–0,35 % en peso |
| Fósforo (P) | ≤ 0,035 % en peso (máx.) | ≤ 0,035 % en peso (máx.) |
| Azufre (S) | ≤ 0,035 % en peso (máx.) | ≤ 0,035 % en peso (máx.) |
| Cromo (Cr) | típicamente ≤ 0,30 % en peso | típicamente ≤ 0,30 % en peso |
| Níquel (Ni) | típicamente ≤ 0,30 % en peso | típicamente ≤ 0,30 % en peso |
| Molibdeno (Mo) | típicamente ≤ 0,08 % en peso | típicamente ≤ 0,08 % en peso |
| Vanadio (V) | rastro si lo hay | rastro si lo hay |
| Niobio (Nb) | rastro si lo hay | rastro si lo hay |
| Titanio (Ti) | rastro si lo hay | rastro si lo hay |
| Boro (B) | no se suele añadir | no se suele añadir |
| Nitrógeno (N) | rastro | rastro |
Notas: Estas son las composiciones típicas para aceros al carbono convencionales de 10# y 20#; las normas de producto y los fabricantes pueden especificar límites ligeramente diferentes. La estrategia de aleación para ambos grados se centra en bajos niveles de elementos de aleación: el carbono determina principalmente la resistencia y la templabilidad, el manganeso modifica la resistencia y la desoxidación, y el silicio es un desoxidante que aumenta ligeramente la resistencia.
Cómo afecta la aleación a las propiedades: - Carbono: control principal de la resistencia a la tracción, la dureza y la templabilidad; un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia y la resistencia al desgaste, pero reduce la ductilidad y la soldabilidad. - Manganeso: aumenta la resistencia a la tracción, la templabilidad y la tenacidad a la tracción; mitiga los efectos nocivos del azufre (forma MnS). - Silicio: fortalecedor y desoxidante menor en solución sólida; un exceso de Si puede perjudicar la calidad de la superficie en algunos procesos. - Elementos traza (Cr, Ni, Mo): cuando están presentes en pequeñas cantidades, aumentan marginalmente la templabilidad y la resistencia, pero no son característicos de estos grados.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: - 10#: En estado laminado o normalizado, la microestructura es predominantemente ferrítica con una fina dispersión de perlita. El bajo contenido de carbono limita la fracción de perlita e impide la formación de grandes cantidades de martensita tras velocidades de enfriamiento moderadas. - 20#: Un mayor contenido de carbono produce una mayor fracción de perlita en el estado laminado y aumenta el potencial de formación de martensita o bainita bajo un enfriamiento o temple más rápido.
Respuestas al tratamiento térmico: - Recocido/Recocido completo: Ambos grados se ablandarán, reducirán las tensiones residuales y producirán mezclas gruesas de ferrita y perlita. El grado 10# alcanza un estado más blando con mayor facilidad y rapidez debido a su menor contenido de carbono. - Normalización: Produce una microestructura de ferrita-perlita más fina y una tenacidad mejorada en comparación con el laminado en caliente; beneficia a ambos grados, pero produce resistencias normalizadas más altas para el grado 20# debido a su mayor contenido de carbono. Temple y revenido (T&R): El acero 20# responde mejor al T&R debido a su mayor contenido de carbono y templabilidad ligeramente superior, lo que permite el desarrollo de estructuras martensíticas de mayor resistencia tras el temple y el revenido controlado. El acero 10# tiene una templabilidad limitada; producir martensita de alta dureza de manera uniforme es más difícil y, por lo general, no resulta rentable. - Procesamiento termomecánico: El laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden aumentar la resistencia en ambos grados; el contenido de carbono determina la combinación alcanzable de resistencia y tenacidad.
4. Propiedades mecánicas
| Propiedad (típica, dependiente del procesamiento) | 10# (rangos aproximados) | 20# (rangos aproximados) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | ~320–470 | ~380–540 |
| Límite elástico (MPa) | ~140–310 | ~200–370 |
| Elongación (%) | ~20–40 | ~12–30 |
| Resistencia al impacto (Charpy V-notch, J) | Generalmente más alto a baja temperatura para 10# (depende del proceso) | inferior a 10# con el mismo tratamiento, pero puede mejorarse mediante el procesamiento. |
| Dureza (HB o HRC) | más bajo en condiciones nominales (más blando) | mayor en condiciones nominales (más duro) |
Notas: Los valores son indicativos y están fuertemente influenciados por la forma del producto (placa, barra, varilla), el espesor y el historial termomecánico. En general, el acero 20# presenta mayor resistencia a la tracción y al límite elástico debido a su mayor contenido de carbono y mayor fracción de perlita; el acero 10# ofrece mayor ductilidad y, por lo general, una tenacidad superior a bajas temperaturas cuando se procesa de forma similar.
Interpretación: - Resistencia: 20# > 10# debido a un mayor contenido de carbono y un mayor fortalecimiento por perlita/microestructura. - Tenacidad/Ductilidad: 10# > 20# en condiciones comparables porque un menor contenido de carbono reduce las fases frágiles y permite una mayor cantidad de ferrita. - Dureza/Resistencia al desgaste: 20# suele ser más duro y mejor para piezas propensas al desgaste después de un tratamiento térmico mínimo.
5. Soldabilidad
La soldabilidad de los aceros al carbono depende principalmente del contenido de carbono, el carbono equivalente (templabilidad) y los elementos residuales. Dos índices empíricos de uso común son el carbono equivalente IIW y el parámetro 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: - El acero 10# tendrá un $CE_{IIW}$ y un $P_{cm}$ menores debido a su menor contenido de carbono, lo que indica una soldabilidad generalmente excelente con bajos requisitos de precalentamiento y un riesgo mínimo de agrietamiento en frío cuando se utilizan los procedimientos adecuados. El acero 20# tiene mayor contenido de carbono, lo que incrementa el CE<sub>IIW</sub> y el P<sub>cm</sub> y, por lo tanto, el riesgo de endurecimiento martensítico en la zona afectada por el calor (ZAC). Para secciones más gruesas o uniones restringidas, se recomienda el precalentamiento, el control de la temperatura entre pasadas y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (TTPS) adecuado. La microaleación y un mayor contenido de manganeso afectan modestamente la templabilidad; sin embargo, estos grados de acero al carbono simple rara vez contienen suficiente aleación como para cambiar drásticamente los procedimientos de soldadura más allá de los determinados por el contenido de carbono y el espesor de la sección.
Buenas prácticas: utilice una entrada de calor menor y un enfriamiento controlado para 20# en secciones más gruesas, y especifique el precalentamiento o el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) según las especificaciones del procedimiento de soldadura cuando se superen los umbrales de equivalente de carbono.
6. Corrosión y protección de superficies
- Tanto el acero 10# como el 20# son aceros al carbono no inoxidables; su resistencia intrínseca a la corrosión es limitada y similar entre ambos grados. La elección entre ellos debe considerar la necesidad de medidas de protección en ambientes corrosivos.
- Medidas de mitigación habituales: galvanizado, recubrimientos protectores (pinturas, pintura en polvo), chapado o inhibidores específicos para cada aplicación. Para piezas estructurales de exterior, se suele recurrir al galvanizado en caliente o a sistemas de pintura de alta resistencia.
- El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) no es aplicable a los aceros al carbono; es relevante para los aceros inoxidables:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Los márgenes de corrosión, la protección catódica y la selección del sistema de recubrimiento deben basarse en el entorno, la vida útil esperada y el régimen de inspección, en lugar de en pequeñas diferencias de composición entre 10# y 20#.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Corte y mecanizado: El acero de 20# es más duro y generalmente requiere mayores fuerzas de corte, lo que puede reducir la vida útil de la herramienta en comparación con el acero de 10#. Sin embargo, las diferencias son modestas para el rango de bajo carbono; las estrategias de herramientas y las velocidades deben ajustarse para un mayor contenido de carbono.
- Conformado y doblado: El acero de 10# es superior para el conformado en frío, el embutido profundo y el doblado de radios reducidos debido a su mayor ductilidad. El acero de 20# es más propenso a la recuperación elástica y requiere radios de curvatura mayores o mayor fuerza.
- Unión y fijación: El acero 10# facilita el conformado en frío de roscas y la unión mediante soldadura; el acero 20# permite una fijación de mayor resistencia, pero puede requerir un tratamiento térmico posterior a la unión en aplicaciones críticas de alta resistencia.
- Acabado superficial: ambos grados aceptan operaciones de acabado típicas (rectificado, pulido, recubrimiento); el grado 20# puede presentar un mayor endurecimiento por deformación, lo que influye en la calidad del acabado final para tolerancias muy ajustadas.
8. Aplicaciones típicas
| 10# (bajo en carbono) | 20# (mayor contenido de carbono) |
|---|---|
| Componentes conformados en frío, piezas estructurales generales, paneles interiores de automóviles, soportes de luces, conjuntos fabricados mediante soldadura donde la ductilidad y la soldabilidad son importantes. | Ejes, espárragos, pernos (donde se requiere mayor resistencia o resistencia al desgaste), elementos estructurales con mayores exigencias de carga, piezas de maquinaria que se benefician del acero templable |
| Ejes de baja tensión, conexiones remachadas o atornilladas, tuberías de baja presión (no críticas) | Piezas destinadas a tratamiento térmico para aumentar su resistencia (templadas/revenidas o normalizadas). |
| Alambre estirado, tubos conformados, elementos de fijación que requieren un conformado significativo | Piezas propensas al desgaste (tras el tratamiento térmico adecuado), componentes forjados de resistencia media |
Justificación de la selección: - Elija 10# cuando la facilidad de conformado, soldadura y acabado de superficies sean prioritarias y los requisitos de resistencia sean modestos. - Elija 20# cuando se requiera una mayor resistencia tal como se fabrica o la posibilidad de aumentar la resistencia a través del tratamiento térmico.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: Ambos grados son aceros al carbono comunes y se encuentran entre las opciones más económicas. El grado 10# suele ser ligeramente más barato debido a su menor contenido de carbono y a un procesamiento un poco más sencillo, pero los precios de mercado están determinados principalmente por la combinación de productos de las acerías y la demanda, más que por el costo intrínseco del grado.
- Disponibilidad: Ambos materiales están ampliamente disponibles en barras, varillas, placas y alambre. Los de 10# y 20# cuentan con extensas cadenas de suministro en regiones que utilizan la nomenclatura GB/JIS. Los plazos de entrega suelen ser cortos para los tamaños estándar; las formas especiales (barras de gran diámetro, tolerancias ajustadas o informes de pruebas de fábrica certificados) pueden incrementar el costo y el plazo de entrega.
10. Resumen y recomendación
| Atributo | 10# | 20# |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Excelente (CE inferior) | De buena a moderada (requiere precalentamiento/tratamiento térmico posterior en las secciones más gruesas) |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Menor resistencia, mayor ductilidad/tenacidad | Mayor resistencia, menor ductilidad a menos que se procese especialmente. |
| Costo relativo | Ligeramente inferior o comparable | Ligeramente superior o comparable |
Recomendaciones: - Elija 10# si necesita una formabilidad superior, una soldadura más fácil, una mayor ductilidad, un menor riesgo de agrietamiento en la ZAT o una fabricación de alto volumen sensible a los costos donde el tratamiento posterior a la soldadura no es deseable. - Elija 20# si necesita mayor resistencia a la tracción y al límite elástico en el estado de fabricación, mayor resistencia al desgaste o la opción de tratar térmicamente los componentes para alcanzar niveles de resistencia más altos y el plan de fabricación contempla precalentamiento, enfriamiento controlado o tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).
Nota final: La selección del material debe considerar la geometría de la pieza, el espesor de la sección, las cargas de servicio previstas, el método de unión y cualquier tratamiento térmico posterior a la fabricación que sea necesario. En caso de duda, especifique los requisitos de las propiedades del material (tracción, límite elástico, alargamiento, tenacidad) y las restricciones de fabricación, en lugar de basarse únicamente en la denominación del grado, y consulte los certificados de fábrica o datos metalúrgicos cualificados para aplicaciones críticas.