10CrMo910 frente a 12Cr1MoV: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros 10CrMo910 y 12Cr1MoV son dos aleaciones de acero al cromo-molibdeno que se consideran frecuentemente para piezas sometidas a altas temperaturas y presión, como tubos de calderas, tuberías y componentes de turbinas. Los ingenieros y los profesionales de compras suelen sopesar las ventajas y desventajas entre la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia a largo plazo, frente a la resistencia a la oxidación, la soldabilidad y el coste. Entre los contextos típicos de decisión se incluyen la selección de materiales para servicio de vapor en diferentes rangos de temperatura y presión, la selección de tuberías para centrales eléctricas o la especificación de forjados y tuberías donde la facilidad de fabricación y el rendimiento posterior a la soldadura son cruciales.
La principal diferencia práctica entre estas calidades radica en su estrategia de aleación: una prioriza el equilibrio entre el cromo y los elementos de microaleación para maximizar la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia, mientras que la otra contiene una mayor proporción de cromo para mejorar la resistencia a la oxidación y la formación de óxido, con un temple y un rango de servicio diferentes. Dado que sus rangos de servicio se superponen, aunque no son idénticos, suelen compararse al optimizar la capacidad de temperatura, la soldabilidad y el coste del ciclo de vida.
1. Normas y designaciones
- 10CrMo910
- Se asocia comúnmente con aceros martensíticos/ferríticos de alto cromo utilizados en tuberías y tubos de centrales eléctricas. Se ofrece bajo normas nacionales en Europa y China y a menudo se utiliza como designación alternativa a los aceros de la familia P9x (consulte la norma nacional específica para conocer la equivalencia exacta).
- Tipos estándar típicos: variantes EN y GB; consulte la norma aplicable (por ejemplo, EN o GB/China) y los datos del fabricante para conocer la designación y los límites exactos.
-
Clasificación: Acero aleado (acero resistente al calor / acero reforzado por fluencia).
-
12Cr1MoV
- Aleación con alto contenido de cromo, vanadio y molibdeno, utilizada históricamente en equipos de generación de energía fósil y petroquímicos.
- Aparece en las normas de Europa del Este y Rusia (GOST) y en algunos catálogos nacionales; también se hace referencia a ellas en la literatura internacional para aplicaciones de vapor.
- Clasificación: Acero aleado (acero resistente al calor con alto contenido de cromo).
Nota: Ninguno de los dos grados se considera acero inoxidable según las definiciones modernas (es decir, >11-12 % de Cr y metalurgia específica resistente a la corrosión), aunque el 12Cr1MoV puede alcanzar niveles de cromo cercanos a los que mejora su resistencia a la oxidación. Compruebe siempre la designación estándar exacta y los límites químicos certificados antes de la adquisición.
2. Composición química y estrategia de aleación
A continuación se muestran los rangos de composición nominal típicos (en % peso) que se suelen indicar para estas familias. Estos son rangos representativos; siempre confirme con el certificado del proveedor o la norma específica.
| Elemento | 10CrMo910 (rango nominal típico, % en peso) | 12Cr1MoV (rango nominal típico, % en peso) |
|---|---|---|
| do | 0,05 – 0,12 | 0,08 – 0,18 |
| Minnesota | 0,20 – 0,60 | 0,30 – 0,70 |
| Si | 0,10 – 0,60 | 0,10 – 0,50 |
| P (máx.) | ≤ 0,025 | ≤ 0,030 |
| S (máx.) | ≤ 0,010 | ≤ 0,020 |
| Cr | 8,5 – 10,5 | 11.0 – 13.0 |
| Ni | ≤ 0,40 | ≤ 0,40 |
| Mes | 0,80 – 1,05 | 0,30 – 0,70 |
| V | 0,05 – 0,30 | 0,08 – 0,30 |
| Nb (o Ta) | 0,03 – 0,12 (donde se especifique) | – |
| Ti | ≤ 0,02 (donde se especifique) | – |
| B | ≤ 0,003 (posibles pequeñas adiciones) | – |
| norte | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
Interpretación de los efectos de aleación - Cromo (Cr): aumenta la resistencia a la oxidación y a la formación de incrustaciones a altas temperaturas, mejora la templabilidad y la resistencia al revenido. El mayor contenido de Cr en la aleación 12Cr1MoV proporciona una mejor resistencia a la oxidación superficial y una mayor adherencia de las incrustaciones a determinadas temperaturas. - Molibdeno (Mo): fortalece la matriz a altas temperaturas y mejora la resistencia a la fluencia. La aleación 10CrMo910 suele tener un mayor contenido de Mo para aumentar su resistencia a altas temperaturas. - Vanadio (V): forma carburos/nitruros finos que fijan las dislocaciones y los límites de grano, mejorando la resistencia a la fluencia y el ablandamiento por revenido después de una exposición prolongada. - Niobio (Nb), titanio (Ti), boro (B): las adiciones de microaleación refinan el tamaño del grano, estabilizan los carburos/nitruros y pueden mejorar la fluencia y la tenacidad. - Carbono (C): contribuye a la resistencia y templabilidad; un mayor contenido de C aumenta la resistencia pero reduce la soldabilidad y la tenacidad si no se controla.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: - 10CrMo910: Diseñado para desarrollar una microestructura martensítica revenida tras la normalización y el revenido. La microestructura consiste en martensita acicular revenida con carburos y carbonitruros dispersos (precipitados que contienen V, Nb y Mo) que le confieren una alta resistencia a la fluencia. - 12Cr1MoV: También se normaliza y templa normalmente para producir martensita revenida, pero el mayor contenido de cromo puede favorecer la formación de carburos de tipo M23C6 diferentes y óxidos formadores de capa más estables. La microaleación proporciona un endurecimiento por precipitación similar al del 10CrMo910, pero la composición química de los carburos cambia.
Respuesta al tratamiento térmico: - Normalización: Ambos grados se benefician de una normalización controlada para disolver los carburos gruesos y producir un grano austenítico uniforme que se transforma en martensita al enfriarse. - Temple y revenido: El proceso habitual consiste en la normalización seguida del revenido a temperaturas adaptadas para lograr el equilibrio deseado entre resistencia y tenacidad. El revenido reduce la dureza, estabiliza los carburos y restaura la ductilidad. - Procesamiento termomecánico: El procesamiento termomecánico controlado (TMCP) puede refinar los granos y precipitar dispersoides finos, lo cual es especialmente valioso para tubos y placas para mejorar la tenacidad y el comportamiento ante la fluencia. Envejecimiento y exposición prolongada: Ambos aceros presentan ablandamiento martensítico revenido y engrosamiento de los precipitados con el tiempo a temperatura ambiente. Un mayor contenido de molibdeno y una microaleación controlada ralentizan la degradación en aceros tipo 10CrMo910.
4. Propiedades mecánicas
La tabla que se muestra a continuación ofrece una comparativa cualitativa en lugar de valores absolutos (ya que los niveles de propiedades dependen del tratamiento térmico y del subsuelo exacto). Consulte los certificados de fábrica y los códigos de diseño pertinentes para obtener los valores de diseño numéricos.
| Propiedad | 10CrMo910 | 12Cr1MoV | Comentario |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Mayor (normalmente) | Moderado | Las aleaciones estilo 10CrMo910 están optimizadas para una mayor resistencia a la tracción a temperaturas elevadas debido al Mo y a la microaleación. |
| límite elástico | Mayor (normalmente) | Moderado | La microaleación y la química Cr-Mo aumentan el límite elástico y la resistencia a la fluencia a alta temperatura en 10CrMo910. |
| Alargamiento (ductilidad) | Bueno (depende del temperamento) | Bien | Ambos pueden alcanzar una ductilidad aceptable después de un revenido adecuado; un valor C más alto reduce la ductilidad. |
| Resistencia al impacto (a temperatura ambiente) | De bueno a muy bueno con el tratamiento térmico adecuado. | Bien | La resistencia depende de la limpieza y del tratamiento térmico; ambos factores pueden garantizar la resistencia si se controlan. |
| Dureza (en estado templado) | Mayor (para objetivos de fuerza) | Moderado | El acero 10CrMo910 tiende a templarse a niveles de dureza que soportan mayores tensiones de diseño. |
¿Cuál es más fuerte, más resistente o más dúctil y por qué? - Resistencia: Los aceros tipo 10CrMo910 se especifican normalmente para una mayor resistencia a la tensión de diseño y a la fluencia debido a un mayor contenido de Mo más microaleación (V, Nb) que ayuda al fortalecimiento por precipitación. Tenacidad: Con una normalización y un revenido adecuados, ambos grados pueden proporcionar una tenacidad satisfactoria. Una fabricación de acero más limpia y un control estricto del carbono y el nitrógeno contribuyen a mantener las propiedades de impacto. - Ductilidad: Ambos alcanzan una ductilidad aceptable, pero un mayor contenido de carbono y una precipitación intensa pueden reducir la elongación si no se procesan cuidadosamente.
5. Soldabilidad
La soldabilidad se ve influenciada por el equivalente de carbono, los elementos de aleación y la presencia de microelementos de aleación que aumentan la templabilidad.
Fórmulas predictivas útiles: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (WRC) para la predicción del agrietamiento en frío inducido por hidrógeno: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: - 10CrMo910: Un mayor contenido de molibdeno y la microaleación aumentan la templabilidad y la relación CE/Pcm, incrementando el riesgo de una zona afectada por el calor (ZAC) martensítica dura, fisuración en frío y la necesidad de un tratamiento térmico previo y posterior a la soldadura (PWHT). El PWHT es obligatorio para aplicaciones a presión con el fin de templar la ZAC y aliviar las tensiones residuales. - 12Cr1MoV: El mayor contenido de Cr también aumenta la templabilidad, pero el menor contenido de Mo puede reducirla en comparación con el 10CrMo910; no obstante, a menudo se requiere precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Ambos grados requieren procedimientos de soldadura cualificados, temperaturas controladas entre pasadas y, en ocasiones, metales de aporte compatibles para evitar zonas blandas o fases frágiles. - Recomendaciones prácticas: Utilice consumibles de soldadura de bajo hidrógeno, un precalentamiento adecuado, un aporte térmico controlado y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) a la temperatura especificada. Siga siempre los requisitos de las normas (ASME, EN o nacionales) para el PWHT y las pruebas posteriores a la soldadura.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ninguno de los dos grados es un acero inoxidable en el sentido de ser resistente a la corrosión en ambientes húmedos. Se requieren estrategias de protección para ambientes atmosféricos, acuosos o corrosivos.
- Protección superficial: el galvanizado generalmente no se utiliza para servicio con vapor a alta temperatura; en su lugar, se emplean recubrimientos protectores (pinturas de alta temperatura), revestimientos de aleación o revestimientos internos según sea necesario. La protección catódica y la tolerancia a la corrosión son habituales en el diseño.
- Oxidación e incrustaciones: Un mayor contenido de cromo en el acero 12Cr1MoV mejora la formación de capas de óxido adherentes ricas en cromo y puede reducir la pérdida de masa por oxidación a temperaturas de vapor más elevadas, en comparación con aceros con menor contenido de cromo. Sin embargo, el comportamiento real ante la oxidación depende de la temperatura, la composición química del vapor y el tiempo de exposición en servicio.
- PREN (no aplicable en general): Para las aleaciones de acero inoxidable se utiliza un índice PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice no es aplicable a estos aceros aleados no estabilizados para la selección general de corrosión; utilícelo únicamente para aleaciones inoxidables.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: Una mayor resistencia y una mayor dureza en estado de procesamiento disminuyen la maquinabilidad. El acero 12Cr1MoV, con mayor contenido de cromo, puede ser ligeramente más abrasivo; el acero 10CrMo910, con precipitados de microaleación, puede reducir la vida útil de la herramienta. Siempre que sea posible, el mecanizado debe realizarse en estado normalizado o recocido.
- Conformabilidad y doblado: Ambos se ven limitados en el conformado en frío cuando el material está normalizado y revenido; el conformado es más sencillo cuando se suministra en estado normalizado (o en un estado más blando tras un tratamiento térmico de solubilización, si está disponible). A menudo se requiere un tratamiento térmico posterior al conformado.
- Acabado: El rectificado y el acabado superficial son similares a los de otros aceros aleados; utilice refrigerante y herramientas adecuados para controlar la dureza y la abrasividad.
8. Aplicaciones típicas
| 10CrMo910 | 12Cr1MoV |
|---|---|
| Tuberías de vapor de alta temperatura, tubos de recalentadores/sobrecalentadores, componentes que requieren una elevada resistencia a la fluencia hasta temperaturas de vapor medias-altas. | Colectores de vapor, tuberías de alta temperatura donde una mayor resistencia a la oxidación y el control de incrustaciones son importantes |
| Componentes de centrales eléctricas cuyo diseño busca una mayor tensión admisible o una vida útil prolongada ante la fluencia | Componentes en los que se prioriza la resistencia a la oxidación superficial junto con una resistencia a la fluencia moderada. |
| Piezas sometidas a presión que requieren rutinas de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) rigurosas y soluciones soldables de alta resistencia. | Componentes a presión en centrales térmicas y plantas petroquímicas que operan en atmósferas oxidantes. |
Justificación de la selección: - Elija aleaciones similares a 10CrMo910 donde la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la fluencia y la estabilidad mecánica a largo plazo bajo tensión sean los principales factores de diseño. - Elija 12Cr1MoV cuando la resistencia a la oxidación/incrustación y la estabilidad superficial a temperaturas elevadas sean relativamente más importantes y cuando se acepten compensaciones de fabricación ligeramente diferentes.
9. Costo y disponibilidad
- Coste: El coste del material depende del contenido de aleación y del proceso de producción. Las aleaciones con mayor contenido de Mo y microaleaciones (familia 10CrMo910) suelen ser más caras por kilogramo que los aceros Cr-Mo más simples debido a la aleación y a los controles de procesamiento más estrictos.
- Disponibilidad: Ambos grados están disponibles en tubos, tuberías, placas y forjados en acerías especializadas. La disponibilidad puede variar según la región; los aceros tipo P91 (familia 10CrMo910) son ampliamente disponibles en mercados con grandes centrales térmicas, mientras que los grados específicos de la región, como el 12Cr1MoV, pueden ser más comunes en las cadenas de suministro de Europa del Este y algunas zonas de Asia.
- Plazo de entrega: Para grados de alta especificación y materiales calificados, los plazos de entrega aumentan; planifique la adquisición con anticipación y exija certificados de prueba de fábrica y registros de tratamiento térmico.
10. Resumen y recomendación
Tabla resumen (cualitativa)
| Atributo | 10CrMo910 | 12Cr1MoV |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Regular (requiere precalentamiento/tratamiento térmico posterior a la soldadura; mayor templabilidad) | Regular (requiere precalentamiento/PWHT) |
| Resistencia-Tenacidad (T elevada) | Alta resistencia y resistencia a la fluencia | De moderada a alta, buena dureza |
| Costo | Mayor (debido al Mo y a la microaleación) | Moderado |
Recomendaciones finales - Elija 10CrMo910 si: - El diseño requiere tensiones admisibles más elevadas a temperaturas elevadas o una resistencia a la fluencia superior. - La estabilidad mecánica a largo plazo bajo condiciones sostenidas de alta temperatura y estrés es una prioridad. - Se pueden incorporar controles de soldadura más estrictos (precalentamiento, tratamiento térmico posterior a la soldadura) y un coste de material ligeramente superior.
- Elija 12Cr1MoV si:
- La resistencia a la oxidación/incrustación superficial y un mayor contenido de cromo son importantes para su entorno operativo.
- Se busca un equilibrio entre un buen rendimiento a altas temperaturas, un coste moderado y la disponibilidad de suministro en determinadas regiones.
- Las limitaciones de fabricación y adquisición favorecen una química de aleación Cr–Mo más simple.
Nota final: Estas calidades se definen mediante normas específicas cuyos límites exactos y valores de diseño mecánico varían. Utilice siempre la norma de material precisa y el certificado de ensayo de fábrica para verificar la composición química, las condiciones del tratamiento térmico y las propiedades mecánicas certificadas antes de la aceptación del diseño o la adquisición.