12Cr1MoV frente a 15CrMo: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Al especificar componentes para equipos a presión, tuberías y aplicaciones de alta temperatura, los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción a menudo se enfrentan a la decisión de elegir entre aceros de baja aleación estrechamente relacionados. Los dilemas típicos de selección giran en torno al equilibrio entre la resistencia y la resistencia a la fluencia a alta temperatura, frente a la soldabilidad, la facilidad de fabricación y el costo. Una comparación común es entre el 12Cr1MoV y el 15CrMo, ambos utilizados en calderas, recipientes a presión y piezas estructurales expuestas al calor.

La principal diferencia entre estos dos aceros radica en su estrategia de aleación: un grado incluye elementos de microaleación formadores de carburos más robustos que aumentan la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas, mientras que el otro está formulado para una composición más simple y una fabricación más sencilla. Esta diferencia conlleva ciertas concesiones en el rendimiento mecánico, los procedimientos de soldadura y la idoneidad para el servicio a altas temperaturas.

1. Normas y designaciones

• 12Cr1MoV
• Suele aparecer en las normas nacionales para aceros de recipientes a presión y calderas (por ejemplo, diversas normas chinas y de Europa del Este). Se clasifica como un acero de baja aleación diseñado para servicio a altas temperaturas (acero para recipientes a presión/calderas).
• 15CrMo
• Aparece en las especificaciones europeas e internacionales tradicionales para aceros de baja aleación para calderas y recipientes a presión (históricamente en designaciones relacionadas con EN/BS). También es un grado de acero de baja aleación y resistente al calor.

Clasificación para ambos: acero de baja aleación (ferrítico) para presión/calderas (no inoxidable, no acero para herramientas, no HSLA en el sentido moderno de microaleación, aunque pueden estar presentes elementos de microaleación).

2. Composición química y estrategia de aleación

Los dos grados utilizan diferentes estrategias de aleación: uno enfatiza pequeñas adiciones de elementos de microaleación (formadores de carburo/nitruro) para mejorar la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia, mientras que el otro es una aleación de cromo-molibdeno más simple optimizada para una buena tenacidad y una soldabilidad más fácil.

Tabla — presencia cualitativa de elementos de aleación | Elemento | 12Cr1MoV (presencia cualitativa) | 15CrMo (presencia cualitativa) | |---|---:|---:| | C (carbono) | De baja a moderada (controla la fuerza) | De baja a moderada | | Mn (manganeso) | Presente (aporta fuerza/dureza) | Presente | | Si (silicio) | Presente en pequeñas cantidades (desoxidación) | Presente en pequeñas cantidades | | P (fósforo) | Residual/controlado (mantenido bajo) | Residual/controlado (mantenido bajo) | | S (azufre) | Trazas/controlado | Trazas/controlado | | Cr (cromo) | Moderado (mejora la oxidación y la resistencia) | Moderado (aleación primaria) | | Ni (níquel) | Generalmente ausente o en trazas | Generalmente ausente o en trazas | | Mo (molibdeno) | Presente (mejora la resistencia a la fluencia y la templabilidad) | Presente (pero normalmente en menor contenido que la aleación más pesada) | | V (vanadio) | Pequeña adición de microaleación (forma carburos/nitruros) | Generalmente ausente o solo trazas | | Nb (niobio) | Normalmente ausente o en trazas | Normalmente ausente o en trazas | | Ti (titanio) | Posible presencia en trazas (desoxidación/estabilización) | Posible presencia en trazas | | B (boro) | Atípico | Atípico | | N (nitrógeno) | Trazas (influye en la formación de carburos/nitruros de microaleación) | Trazas |

Cómo afecta la aleación a las propiedades - El cromo y el molibdeno aumentan la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la fluencia y la templabilidad; también reducen ligeramente la soldabilidad si su contenido es significativo. - El vanadio (y otros elementos de microaleación como el niobio) contribuye al fortalecimiento mediante precipitados finos de carburo/nitruro y refinamiento del grano; esto aumenta la resistencia a la fluencia y a la tracción, pero incrementa la templabilidad y el riesgo de formación de martensita en la zona afectada por el calor (ZAC) durante la soldadura. - El carbono controla la resistencia y templabilidad básicas; se mantiene de bajo a moderado en estos grados para preservar la soldabilidad y la tenacidad. - El manganeso y el silicio son principalmente desoxidantes y contribuyen modestamente a la resistencia y la tenacidad.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

microestructuras típicas Ambos grados presentan microestructuras ferríticas-perlíticas o ferríticas normalizadas en estado de entrega, tras tratamiento térmico (normalizado o normalizado y revenido). Para los aceros típicos de recipientes a presión, la microestructura objetivo es una estructura bainítica revenida o de ferrita/perlita de grano fino, según el tratamiento térmico y la velocidad de enfriamiento. - El 12Cr1MoV, debido a la microaleación (vanadio) y molibdeno, tiende a producir precipitados más finos y puede desarrollar una estructura de martensita/ferrita templada de grano más fino en regiones muy enfriadas; esto produce una mayor resistencia y una mejor resistencia a la fluencia. - El 15CrMo típicamente tiene una microestructura convencional de ferrita/perlita templada optimizada para la tenacidad a temperaturas moderadamente elevadas.

respuesta al tratamiento térmico - Normalización: Ambos aceros responden a la normalización con un refinamiento del grano y una mayor tenacidad; los elementos de microaleación en el 12Cr1MoV ayudan a estabilizar los granos finos bajo ciclos de normalización adecuados. - Temple y revenido: Ambos materiales pueden templarse y revenirse, pero la presencia de vanadio y la mayor templabilidad en la aleación más pesada requieren un control cuidadoso de la severidad del temple y del revenido para evitar una dureza excesiva en la ZAT y lograr la tenacidad requerida. - Procesamiento termomecánico: El 12Cr1MoV se beneficia más del laminado controlado/procesamiento termomecánico porque los precipitados de microaleación ayudan a fijar los límites de grano, mejorando la resistencia y la tenacidad a temperatura ambiente.

4. Propiedades mecánicas

Proporcionar propiedades mecánicas comparativas cualitativas evita cifras exactas engañosas y, al mismo tiempo, deja claras las diferencias.

Tabla — comportamiento mecánico comparativo (cualitativo) | Propiedad | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Resistencia a la tracción | Mayor tendencia (debido a la microaleación y al Mo) | Moderada | | Límite elástico | Tendencia al alza | Moderado | | Alargamiento (ductilidad) | Bueno, puede ser ligeramente inferior al 15CrMo si está muy aleado/sobretemplado | Bueno, generalmente más dúctil en condiciones estándar | | Resistencia al impacto | Buena con un tratamiento térmico adecuado; sensible a las condiciones de la ZAT | Generalmente muy buena, a menudo superior, resistencia a la ZAT bajo la misma práctica de soldadura | | Dureza | Puede alcanzar una mayor dureza tras el temple y revenido | Menor en condiciones comparables |

Explicación - El acero 12Cr1MoV está diseñado para ofrecer mayor resistencia a altas temperaturas y resistencia a la fluencia mediante microaleación y mayor contenido de molibdeno; por lo tanto, normalmente alcanza mayores resistencias a la tracción y a la fluencia después de un tratamiento térmico adecuado. - El 15CrMo, con menos adiciones de microaleación, tiende a ser más fácil de procesar y soldar, con una ductilidad y tenacidad de la ZAT ligeramente mejores en muchos escenarios de fabricación. Los valores mecánicos reales dependen de las especificaciones precisas, el proceso de tratamiento térmico y la forma del producto; los ingenieros deben consultar los certificados de fábrica del proveedor para conocer los mínimos garantizados.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está determinada por el equivalente de carbono, los elementos de aleación que aumentan la templabilidad y los elementos de microaleación que forman carburos/nitruros estables.

Índices empíricos útiles (para la interpretación cualitativa) - Equivalente de carbono (fórmula IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula Pcm para la susceptibilidad al agrietamiento de la soldadura: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa - Valores más altos de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ indican una mayor templabilidad y una mayor necesidad de precalentamiento, temperaturas entre pasadas controladas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - El 12Cr1MoV normalmente produce contribuciones $CE$/$P_{cm}$ más elevadas debido al molibdeno y al vanadio, por lo que los procedimientos de soldadura deben tener en cuenta la mayor endurecimiento de la ZAT: el precalentamiento, la entrada de calor controlada y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) son comúnmente necesarios para la fabricación de recipientes a presión. - El 15CrMo, con menos elementos de microaleación, normalmente tiene valores CE y Pcm calculados más bajos y generalmente es más tolerante durante la soldadura, aunque el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) a menudo todavía se especifican para secciones gruesas y equipos a presión.

Orientación práctica - Ambos grados utilizados en equipos a presión normalmente requieren procedimientos de soldadura cualificados y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para restaurar la tenacidad y aliviar las tensiones residuales. Al elegir entre ambas opciones, tenga en cuenta la complejidad del ciclo de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y la productividad de la soldadura. Los aceros de alta aleación requieren un control más estricto.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el acero 12Cr1MoV ni el 15CrMo son inoxidables; su resistencia a la corrosión es similar a la de los aceros ferríticos de baja aleación. La selección debe considerar la necesidad de recubrimientos protectores o protección catódica cuando la corrosión sea un factor a tener en cuenta.
• Medidas de protección típicas: sistemas de pintura, recubrimientos epoxi/fenólicos, revestimiento (superposición de soldadura) o galvanizado en caliente para condiciones ambientales donde la protección galvánica sea apropiada.
• Para los aceros que no son totalmente inoxidables, el índice PREN no es aplicable; sin embargo, para los aceros aleados en los que el molibdeno contribuye a la resistencia a la corrosión localizada en entornos especiales, el índice PREN es relevante solo si el acero contiene cantidades significativas de cromo y molibdeno, además de nitrógeno medible; no es el caso de los grados estándar 12Cr1MoV o 15CrMo.
• Cuando la resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas es importante, un mayor contenido de Cr y Mo (como en el grado más aleado) proporciona un mejor rendimiento, pero estos aceros todavía no son sustitutos de los aceros inoxidables o las aleaciones de alta temperatura.

Ejemplo de fórmula PREN (normalmente no aplicable a estos grados): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Ambos aceros son razonablemente mecanizables en estado normalizado o recocido. La dureza ligeramente superior y el endurecimiento por precipitación del 12Cr1MoV pueden reducir la vida útil de la herramienta en comparación con el 15CrMo.
• Conformabilidad: El 15CrMo tiende a ser ligeramente más fácil de conformar en frío y doblar debido a una microestructura más simple y una resistencia a la fluencia ligeramente menor en condiciones de entrega.
• Unión y fabricación: El 12Cr1MoV requiere un control más estricto del aporte térmico y del hidrógeno (electrodos limpios, precalentamiento) debido a su mayor templabilidad derivada del Mo y el V. Es esencial el uso de metales de aporte cualificados, aptos para tratamiento térmico posterior a la soldadura y con propiedades mecánicas compatibles.
• Acabado superficial: Ambos tipos de aceros admiten rectificado, mecanizado y preparación de superficies estándar para recubrimientos. Los precipitados de carburo en los aceros microaleados pueden provocar dureza localizada, lo que afecta a las operaciones de acabado.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: usos típicos por grado | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---| | Tubos y colectores de calderas de alta temperatura donde se requiere una mayor resistencia a la fluencia | Tuberías de calderas y recipientes a presión para servicio a temperatura moderada | | Componentes de recipientes a presión que requieren mayor resistencia a largo plazo a temperaturas elevadas | Carcasas, bridas y accesorios generales para recipientes a presión donde se prioriza la facilidad de fabricación | | Componentes donde la mejora de la estabilidad del grano y la resistencia a la fluencia mediante microaleación resulta beneficiosa | Aplicaciones con soldadura frecuente y mayor necesidad de buena tenacidad en la ZAT y una cualificación más sencilla | | Tuberías y colectores de vapor que operan a temperaturas/presiones más altas (según especificaciones) | Tuberías y componentes estructurales económicos para temperaturas bajas a moderadas |

Justificación de la selección - Elija el grado de microaleación más pesado cuando la vida útil a temperatura elevada, la resistencia a la fluencia y la estabilidad del grano sean primordiales y el presupuesto del proyecto y los controles de soldadura permitan procedimientos más estrictos. - Elija la aleación de cromo-molibdeno más simple cuando la velocidad de fabricación, una menor sensibilidad a la soldadura y la rentabilidad sean más importantes y las temperaturas de servicio sean moderadas.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: Generalmente, la calidad con elementos de microaleación adicionales (vanadio, ligeramente más Mo) será más cara por tonelada que la calidad más simple de cromo-molibdeno debido al coste de los elementos de aleación y a los controles de procesamiento potencialmente más estrictos.
• Disponibilidad: Ambos grados se producen habitualmente en formatos estándar (placas, tubos, forjados) para el mercado de calderas y recipientes a presión. La disponibilidad varía según la región; consulte los plazos de entrega con las acerías y distribuidores locales. En algunos mercados, la variante 15CrMo, más sencilla, está más disponible en formatos y tamaños estándar.

10. Resumen y recomendación

Tabla — comparación concisa | Criterion | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Soldabilidad | Regular — requiere un control más estricto del precalentamiento/tratamiento térmico posterior a la soldadura | Buena — más tolerante en la soldadura | | Equilibrio resistencia-tenacidad | Mayor resistencia a altas temperaturas; buena tenacidad con el tratamiento térmico adecuado | Buena tenacidad y ductilidad; resistencia moderada | | Costo | Mayor (debido a la microaleación y el procesamiento) | Menor (más económico) |

Recomendación - Elija 12Cr1MoV si: su componente debe soportar temperaturas más altas o una vida útil de fluencia más prolongada, necesita una mejor estabilidad del grano y una mayor resistencia a largo plazo, y puede implementar procedimientos de soldadura más estrictos, precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - Elija 15CrMo si: la aplicación es en equipos o tuberías a presión de temperatura moderada donde la velocidad de fabricación, la soldabilidad más fácil y el menor costo del material son factores primordiales, y el diseño no requiere la mayor resistencia a la fluencia del acero microaleado.

Nota final: Siempre confirme los requisitos químicos y mecánicos exactos con las especificaciones del proyecto y los certificados de fábrica. La calificación del procedimiento de soldadura, los programas de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y los criterios de aceptación mecánica deben establecerse en función del grado, el espesor y la temperatura de servicio previstos.