20# vs 45# – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen elegir entre aceros al carbono de 20# y 45# al especificar aceros simples para ejes, engranajes, elementos de fijación y piezas mecánicas en general. La decisión generalmente busca un equilibrio entre la facilidad de fabricación (soldabilidad, conformabilidad y mecanizado), el rendimiento mecánico requerido (resistencia, dureza y tenacidad) y las limitaciones de costos.

La principal diferencia técnica entre las dos calidades radica en su contenido de carbono y las consiguientes diferencias en su comportamiento mecánico y respuesta al tratamiento térmico. Dado que la calidad 45# contiene significativamente más carbono que la 20#, alcanza una mayor resistencia y templabilidad tras el tratamiento térmico, pero sacrifica ductilidad y resulta más exigente para la soldadura y ciertas operaciones de conformado. Estas ventajas y desventajas hacen que ambas calidades sean complementarias para diferentes aplicaciones y procesos de fabricación.

1. Normas y designaciones

• China GB/T: 20# y 45# (designaciones nacionales de uso común).
• JIS: S20C (≈ 20#) y S45C (≈ 45#).
• AISI/ASTM: AISI 1020 (≈ 20#) y AISI 1045 (≈ 45#).
• EN: C20 y C45 (familia EN 10083; tenga en cuenta que las especificaciones detalladas dependen de la forma del producto y del tratamiento térmico).

Clasificación: tanto el acero 20# como el 45# son aceros al carbono (aceros al carbono sin alear/de baja aleación), no aceros inoxidables, HSLA ni para herramientas. Se suelen suministrar laminados en caliente, normalizados, recocidos o templados y revenidos, según la aplicación.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos típicos de composición química (en % peso) para 20# y 45#. Los valores son rangos representativos utilizados para la comparación de especificaciones; se deben consultar las certificaciones reales del proveedor para obtener la composición química precisa.

Elemento	20# (peso típico%)	45# (peso típico%)
do	0,17–0,24	0,42–0,50
Minnesota	0,25–0,60	0,50–0,80
Si	0,03–0,35	0,15–0,35
PAG	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	≤ 0,25 (traza)	≤ 0,30 (traza)
Ni	≤ 0,30 (traza)	≤ 0,30 (traza)
Mes	≤ 0,08 (traza)	≤ 0,08 (traza)
V	≤ 0,03 (traza)	≤ 0,03 (traza)
Nótese bien	≤ 0,03 (traza)	≤ 0,03 (traza)
Ti	≤ 0,03 (traza)	≤ 0,03 (traza)
B	≤ 0,001 (raro)	≤ 0,001 (raro)
norte	≤ 0,012 (típico)	≤ 0,012 (típico)

Estrategia y efectos de la aleación: El carbono (C) es el principal factor que controla la resistencia y la templabilidad. Un mayor contenido de C aumenta la dureza y la resistencia alcanzables tras el temple, pero reduce la ductilidad y la soldabilidad. - El manganeso (Mn) aumenta la templabilidad y la resistencia a la tracción y contrarresta la fragilización por azufre; el acero 45# normalmente tiene un mayor contenido de Mn para mejorar la resistencia y la templabilidad. - El silicio (Si) es un desoxidante y contribuye modestamente a la resistencia. - Los elementos de aleación traza (Cr, Ni, Mo, V) suelen ser mínimos en estos grados, pero, si están presentes, aumentan la templabilidad, la resistencia y, a veces, la tenacidad.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• 20#: En condiciones normales de laminado o normalizado, la microestructura es predominantemente ferrita + perlita (gruesa o fina según el enfriamiento y la normalización). Un bajo contenido de carbono produce una mayor fracción de ferrita y un contenido de perlita relativamente bajo. La normalización/refinación reduce el espaciado de la perlita y mejora ligeramente la uniformidad y la resistencia.
• 45#: En estado laminado o normalizado, la microestructura es ferrita + perlita con una mayor fracción de perlita y un espaciado interdendrítico más fino en comparación con 20#. Debido a su mayor contenido de carbono y manganeso, 45# tiene mayor templabilidad y puede formar martensita o bainita al templarse, seguido de un revenido para producir microestructuras templadas y revenidas (martensita revenida) con una resistencia y resistencia al desgaste significativamente mayores.

Efectos del tratamiento térmico: - La normalización (enfriamiento por aire desde por encima de Ac3) refina el grano y produce una estructura uniforme de ferrita-perlita; ambos grados se benefician, pero el aumento de resistencia es más pronunciado en el 45#. El temple y revenido se aplican comúnmente al acero 45# para lograr alta resistencia y resistencia a la fatiga. El acero 20# tiene una templabilidad limitada; el temple produce un bajo contenido de martensita y un beneficio limitado. El recocido (recocido completo) ablanda el material para facilitar su mecanizado o conformado; el acero 20# se recoce fácilmente. El acero 45# recocido es mecanizable, pero seguirá teniendo una resistencia mayor que el acero 20# normalizado.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Rangos típicos de propiedades mecánicas según condiciones comunes (rangos representativos; los valores exactos dependen de la forma del producto y del tratamiento térmico).

Propiedad	20# (recocido/normalizado)	45# (recocido/normalizado/templado)
Resistencia a la tracción (MPa)	≈ 350–550 (recocido→normalizado)	≈ 500–900 (recocido→QT)
Límite elástico (MPa)	≈ 200–350	≈ 300–700
Alargamiento (A%)	≈ 20–30%	≈ 10–25% (disminuye con el endurecimiento)
Resistencia al impacto (Charpy V)	Moderado—bueno a temperatura ambiente una vez normalizado	Buena calidad con el templado adecuado; menor calidad en estado endurecido si no se templa.
Dureza (HB o HRC)	≈ 120–200 HB (recocido→normalizado)	≈ 150–300 HB (recocido→QT dependiendo del temple)

Interpretación: - El acero 45# ofrece una resistencia a la tracción y una dureza sustancialmente mayores después de un tratamiento térmico adecuado, debido a su mayor contenido de carbono y templabilidad. - El acero de 20# es más dúctil y tolerante al conformado; la elongación y la tenacidad en el acero de 20# son generalmente mayores para un procesamiento comparable. - La tenacidad al impacto depende en gran medida del procesamiento; un revenido adecuado después del temple es fundamental para el acero 45# para evitar un comportamiento quebradizo.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de los aceros al carbono simples está fuertemente influenciada por el contenido de carbono y los elementos de aleación, según las métricas de equivalencia de carbono. Índices comunes:

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

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

Interpretación cualitativa: El acero 20# (bajo en carbono) suele tener un bajo equivalente de carbono, lo que proporciona una buena soldabilidad con un precalentamiento mínimo y un riesgo limitado de fisuración por hidrógeno o formación de martensita dura en la zona afectada por el calor (ZAC). El tratamiento térmico posterior a la soldadura (TTPS) rara vez es necesario para espesores estándar en condiciones normales. El acero 45# (con mayor contenido de carbono y ligeramente mayor de manganeso) produce un equivalente de carbono mayor; los procedimientos de soldadura a menudo requieren precalentamiento, temperaturas controladas entre pasadas y la consideración del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), especialmente para secciones gruesas o juntas restringidas. La probabilidad de endurecimiento de la zona afectada por el calor (ZAC) y fisuración en frío aumenta si no se utilizan controles de soldadura adecuados.

Práctica de soldadura: - Utilice metales de aporte compatibles y un precalentamiento/PWHT apropiado según las directrices CE/Pcm. - Para conjuntos soldados críticos hechos de acero 45#, considere utilizar electrodos con menor contenido de hidrógeno y realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para templar la zona afectada por el calor (ZAC) y reducir las tensiones residuales.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el acero 20# como el 45# son aceros al carbono simples no inoxidables y no poseen resistencia inherente a la corrosión. Los métodos de protección típicos incluyen pintura, recubrimiento en polvo, aceitado, tratamientos de fosfatado y galvanizado (por inmersión en caliente o electrogalvanizado), según el entorno y los requisitos de vida útil.
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) se utiliza para aleaciones inoxidables y no es aplicable a aceros al carbono. Ejemplo de fórmula para la evaluación del acero inoxidable:

$$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$

• Para entornos propensos a la corrosión, elija recubrimientos protectores o considere acero inoxidable o aleaciones resistentes a la corrosión en lugar de 20#/45#.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformado y doblado: El acero de 20# es más fácil de conformar en frío y doblar debido a su menor resistencia y mayor ductilidad. El acero de 45# requiere más fuerza y ​​puede necesitar recocido antes de un conformado extenso.
• Maquinabilidad: Ambos grados se mecanizan bien en estado recocido. El grado 45# en estado recocido se mecaniza de forma predecible y puede producir un mejor acabado superficial en ciertas operaciones de torneado/rectificado debido a que su mayor contenido de carbono mejora la formación de viruta; sin embargo, el grado 45# más duro o templado es más difícil de mecanizar y provoca un mayor desgaste de la herramienta. El grado 20# ofrece un menor desgaste de la herramienta en el mecanizado general.
• Acabado superficial: El acero 45# puede endurecerse y rectificarse con tolerancias ajustadas (p. ej., para ejes y superficies de desgaste) después del temple y revenido. El acero 20# es adecuado cuando no se requieren tolerancias ajustadas ni alta dureza.
• Trabajo en frío: El acero 20# tolera un estirado o recalcado en frío más profundo que el acero 45#, que puede agrietarse si no se recoce.

8. Aplicaciones típicas

20# – Usos típicos	45# – Usos típicos
Componentes estructurales generales, elementos de fijación conformados en frío, conjuntos soldados, ejes de baja carga, ejes para cargas ligeras, piezas estampadas conformables	Ejes, engranajes, piezas de maquinaria que requieren temple y revenido, bielas, pasadores, componentes de desgaste donde se necesita mayor dureza y resistencia a la fatiga
Estructuras fabricadas, forjados de uso general donde la soldabilidad y la conformabilidad son prioritarias.	Piezas tratadas térmicamente para transmisión de potencia, cigüeñales para aplicaciones ligeras, pasadores guía endurecidos y asientos de cojinetes

Justificación de la selección: - Elija 20# cuando se prioricen la soldabilidad, la conformabilidad y el menor costo, y cuando los requisitos de resistencia sean moderados. - Elija 45# cuando el diseño requiera mayor resistencia a la tracción, dureza o vida útil a la fatiga y cuando las piezas vayan a ser tratadas térmicamente para lograr estas propiedades.

9. Costo y disponibilidad

• Ambos grados son aceros de uso común, ampliamente disponibles en barras, placas y forjados. El grado 20# suele tener el menor costo de materia prima debido a su menor contenido de carbono y a su procesamiento más sencillo para numerosas aplicaciones.
• El acero 45# tiene un precio ligeramente superior debido principalmente a su mayor contenido de carbono y a su uso más frecuente en productos con acabado tratado térmicamente y rectificado. El coste total del componente debe tener en cuenta los tratamientos térmicos y el mecanizado necesarios; las piezas fabricadas con acero 45# suelen conllevar costes de procesamiento adicionales (templado, revenido, rectificado).
• Los plazos de entrega suelen ser cortos para las formas estándar; las formas especiales o los tratamientos térmicos específicos pueden aumentar el plazo de entrega.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación rápida

Atributo	20#	45#
Soldabilidad	Excelente (C más baja, CE más baja)	De dificultad moderada a alta (mayor C, mayor CE)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Resistencia moderada, mayor ductilidad/tenacidad	Mayor resistencia alcanzable, menor ductilidad si se endurece.
Costo	Menor coste de materia prima; procesamiento más sencillo	Coste de materiales ligeramente superior; coste de procesamiento a menudo superior.

Recomendaciones finales: - Elija 20# si: su diseño requiere buena soldabilidad y conformabilidad, una resistencia moderada es suficiente, la sensibilidad al costo es alta o los componentes se unirán mediante soldadura con un precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura mínimos. - Elija 45# si: la pieza requiere mayor resistencia, dureza o resistencia a la fatiga que se puede lograr mediante temple y revenido (por ejemplo, ejes, engranajes, pasadores), y puede adaptarse a controles de soldadura más estrictos, precalentamiento y posibles operaciones de mecanizado adicionales o PWHT.

Nota final: Verifique siempre los certificados químicos y mecánicos de los proveedores y califique los procedimientos de soldadura según el equivalente de carbono y la geometría de la pieza. Para componentes críticos, realice ensayos de tratamiento térmico y pruebas mecánicas representativas del proceso de fabricación final para garantizar que el grado seleccionado cumpla con los requisitos funcionales y de ciclo de vida.