20Cr frente a 20CrMnTi: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

El 20Cr y el 20CrMnTi son dos aceros cementantes ampliamente utilizados en la transmisión de potencia y componentes de maquinaria. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen enfrentarse a la elección entre el 20Cr, más simple, y el 20CrMnTi, microaleado, al especificar engranajes, ejes, estrías y otras piezas cementadas. Los factores típicos a considerar incluyen el equilibrio entre el coste y la resistencia del núcleo y la resistencia a la fatiga, la selección de un grado con mayor templabilidad o mejor control del grano, y la elección de un acero que cumpla con las restricciones de tratamiento térmico y soldadura.

La principal diferencia técnica radica en que el 20CrMnTi incorpora manganeso y titanio adicionales (además de otros ajustes de microaleación) para mejorar la templabilidad, el refinamiento del grano y la estabilidad de la capa cementada. Estas diferencias hacen que el 20CrMnTi sea la opción idónea cuando se requiere un endurecimiento superficial más profundo, mejores propiedades del núcleo y mayor resistencia a la fragilización por revenido, mientras que el 20Cr sigue siendo una opción económica para piezas cementadas de servicio moderado.

1. Normas y designaciones

• Referencias nacionales e internacionales comunes donde aparecen estas calificaciones o tienen equivalentes:
• GB (China): 20Cr, 20CrMnTi (designaciones ampliamente utilizadas en las normas chinas)
• JIS (Japón): aceros cementantes con composición química similar (por ejemplo, equivalentes de la serie SC).
• EN (Europa): comparable a algunos aceros de cementación de la serie 15-20Cr (pero verifique los números EN exactos).
• ASTM/ASME: aceros de carburización cubiertos por las especificaciones generales para aceros aleados para temple y revenido; es posible que no existan designaciones directas AISI/ASTM uno a uno, por lo que se requiere la consulta de referencias cruzadas.
• Clasificación: ambos son aceros aleados para cementación (no inoxidables, no aceros para herramientas, no HSLA). Están diseñados para el endurecimiento superficial con el fin de proporcionar una superficie dura y resistente al desgaste y un núcleo dúctil más tenaz.

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente muestra los rangos de composición típicos (en % peso) utilizados en las descripciones de la industria. Los rangos exactos varían según la norma y el productor; utilice los certificados de fábrica para la adquisición.

Elemento	20Cr (peso típico %)	20CrMnTi (peso típico %)
do	0,17–0,24	0,17–0,24
Minnesota	0,25–0,60	0,50–0,80
Si	0,15–0,35	0,15–0,35
PAG	≤0,035	≤0,035
S	≤0,035	≤0,035
Cr	0,90–1,30	0,90–1,30
Ni	≤0,30	≤0,30
Mes	≤0,10	≤0,10
V	-/rastro	-/rastro
Nótese bien	-/rastro	-/rastro
Ti	—/rastro (normalmente ninguno)	0,02–0,08
B	—	—
norte	rastro	rastro

Cómo afecta la estrategia de aleación a las propiedades: - Carbono: ajustar de bajo a medio para permitir la carburización (bajo contenido de carbono en el núcleo para mayor tenacidad) y al mismo tiempo permitir una superficie con alto contenido de carbono después de la carburización para mayor dureza. - Cromo: mejora la templabilidad y la resistencia al revenido de la capa cementada y ayuda a la resistencia al desgaste. - Manganeso: aumenta la templabilidad y la resistencia a la tracción; un mayor contenido de Mn en 20CrMnTi aumenta la profundidad de endurecimiento y la resistencia del núcleo. - Titanio: la microaleación con Ti refina el tamaño del grano, fija el nitrógeno, estabiliza los carburos/nitruros y puede mejorar la resistencia a la fatiga y la tenacidad después del tratamiento térmico. - Silicio: ayuda a la desoxidación y puede fortalecer ligeramente la ferrita. - Bajo P, S: para una mayor tenacidad y resistencia a la fatiga.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - Como carburizado (antes del temple final): un núcleo ferrítico/perlítico de bajo carbono con una capa austenítica enriquecida (mayor contenido de carbono) en ambos grados. - Después del temple y revenido (ruta típica de carburización): una capa endurecida de martensita o bainítica con bolsas de austenita retenida cerca de la superficie extrema; un núcleo templado, de martensita o ferrítico-perlítico con menor contenido de carbono.

Cómo afectan los tratamientos térmicos a cada grado: - Normalización: ambos grados responden a la normalización con microestructuras ferríticas-perlíticas refinadas y uniformes; el contenido de Ti del 20CrMnTi mejora el refinamiento del grano durante la normalización. Carburización + temple + revenido (proceso estándar): ambos procesos están diseñados para este caso. El 20Cr produce una capa superficial adecuada y un núcleo dúctil para engranajes de servicio estándar. El 20CrMnTi, debido a su mayor contenido de Mn y Ti, alcanza una mayor templabilidad y, en general, un núcleo más resistente tras el revenido; además, mantiene un tamaño de grano de austenita previa más fino, lo que mejora la resistencia a la fatiga. - Temple y revenido sin carburización: no es típico de estos aceros de bajo carbono porque su carbono base es bajo; el beneficio de la microaleación se aprovecha menos. - Procesamiento termomecánico: la aleación 20CrMnTi microalelaborada se beneficia de un laminado controlado para refinar aún más el grano y mejorar la tenacidad; la aleación 20Cr se beneficia menos de los efectos de la microaleación.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas dependen en gran medida del programa específico de tratamiento térmico (profundidad de la capa cementada, severidad del temple, temperatura de revenido). La tabla siguiente compara cualitativamente las calidades en condiciones típicas de cementación y temple/revenido.

Propiedad	20Cr	20CrMnTi
Resistencia a la tracción (post-HT)	Resistencia superficial moderada (dominada por la carcasa)	Mayor (endurecimiento mejorado del núcleo y de toda la masa)
Resistencia a la fluencia (núcleo)	Moderado	Mayor (mejor endurecimiento del núcleo)
Alargamiento (ductilidad, núcleo)	Mayor ductilidad en tratamientos térmicos moderados típicos	La ductilidad se reduce ligeramente si el endurecimiento es elevado, pero la tenacidad se conserva mejor debido al refinamiento del grano.
Resistencia al impacto (núcleo)	De bueno a moderado	Mayor tenacidad para una resistencia comparable, debido al refinamiento del grano de Ti.
Dureza (capa superficial)	Alto rendimiento alcanzable (después de la carburización)	Se puede lograr una dureza superficial similar; tiende a mantener mejor la integridad de la capa bajo carga.

Explicación: La aleación 20CrMnTi suele alcanzar mayor resistencia a la tracción y al límite elástico en el núcleo tras el mismo proceso de cementación y temple, debido a que un mayor contenido de Mn aumenta la templabilidad y el Ti refina el tamaño de grano. Esto se traduce en una mejor capacidad de carga y un mejor comportamiento a la fatiga para componentes de alta exigencia. La dureza superficial que se puede lograr mediante cementación es comparable en ambos casos cuando se utilizan ciclos de carburización idénticos, ya que el carbono superficial determina la dureza de la martensita. Las diferencias radican en la integridad de la capa endurecida, la estabilidad de la austenita retenida y la resistencia al revenido.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende principalmente del equivalente de carbono y la templabilidad. Dos índices comunes:

Fórmula de visualización para el equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Interpretación cualitativa: - 20Cr: CE moderado; un precalentamiento adecuado y un enfriamiento controlado pueden evitar el agrietamiento en frío. Lo habitual es evitar la soldadura en estado de alta carburización o realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) cuando sea necesario. - 20CrMnTi: presenta un riesgo de soldabilidad ligeramente mayor debido a su mayor contenido de Mn (que aumenta la $CE_{IIW}$) y a elementos de microaleación como el Ti, que afectan la microestructura local y el potencial de endurecimiento en la zona afectada por el calor. El $P_{cm}$ señala al Ti como un factor que contribuye al riesgo de soldabilidad. En la práctica, la soldadura de ambos grados requiere precalentamiento, bajas temperaturas entre pasadas y materiales de aporte adecuados; generalmente se evita la soldadura de superficies cementadas cuando la función depende de las propiedades de la capa cementada. - Nota práctica: Las reparaciones en superficies cementadas deben seguir procedimientos estrictos (eliminar la capa endurecida mediante esmerilado, precalentamiento local, usar metal de soldadura compatible, tratamiento térmico posterior a la soldadura), y los diseñadores a menudo especifican juntas atornilladas o forjadas donde la soldadura comprometería el rendimiento.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el 20Cr como el 20CrMnTi son aceros de aleación no inoxidables; no proporcionan resistencia inherente a la corrosión en ambientes agresivos.
• Estrategias comunes de protección: pintura, aceitado, fosfatado, pavonado y galvanizado (en caliente o electrolítico) según corresponda. En piezas cementadas sometidas a cargas elevadas, se suele evitar el galvanizado en las superficies de contacto debido al riesgo potencial de fractura del recubrimiento y fragilización por hidrógeno si no se controla adecuadamente.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros no inoxidables; a modo de referencia: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Pero esto se aplica únicamente a las aleaciones de acero inoxidable; no lo utilice para la selección de 20Cr/20CrMnTi.
• Margen de corrosión: cuando la corrosión sea una preocupación, seleccione tratamientos superficiales compatibles con los requisitos de dureza superficial y fatiga (por ejemplo, sistemas dúplex, recubrimientos cerámicos delgados aplicados antes del rectificado final solo con procesos validados).

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: ambas calidades son relativamente mecanizables en estado normalizado o recocido. La aleación 20CrMnTi puede ser ligeramente más difícil de mecanizar debido a su mayor contenido de Mn y la presencia de carburos/nitruros de Ti; en la práctica, las diferencias son mínimas.
• Mecanizado duro: tras la cementación y el temple, ambos grados requieren técnicas de rectificado o mecanizado duro para el acabado superficial. Las superficies cementadas deben rectificarse hasta alcanzar las dimensiones finales; el torneado duro con las herramientas adecuadas es posible en la producción.
• Conformabilidad y doblado: en estado base de bajo carbono (antes de la carburización), ambos se conforman de forma similar. No se recomienda el conformado posterior a la carburización.
• Distorsión por tratamiento térmico: La mayor templabilidad del 20CrMnTi puede aumentar el riesgo de distorsión inducida por el temple si no se controla; el diseño de la geometría y la fijación, la selección del medio de temple y la práctica de revenido son importantes.

8. Aplicaciones típicas

20Cr (usos comunes)	20CrMnTi (usos comunes)
Engranajes, piñones y estrías de servicio moderado	Engranajes de alta resistencia, piñones grandes y ejes de transmisión de alta carga.
Ejes y árboles para maquinaria general	Componentes que requieren una carcasa más profunda y una mayor resistencia del núcleo (ejes de cajas de engranajes eólicas, engranajes de vehículos pesados)
Piñones y árboles de levas en servicio ligero	Piezas expuestas a cargas dinámicas y fatiga donde el refinamiento del grano resulta beneficioso
Sujetadores y manguitos cementados generales	Componentes de carburación sometidos a alta fatiga y piezas de transmisión críticas para la seguridad

Justificación de la selección: - Elija 20Cr cuando la sensibilidad al costo sea significativa y los ciclos de trabajo sean moderados: dureza superficial adecuada con un núcleo dúctil a un menor costo de material. - Elija 20CrMnTi cuando se requiera una mayor templabilidad, una mejor resistencia del núcleo, una mayor vida a la fatiga y una microestructura refinada, a pesar de un mayor costo del material y un control del tratamiento térmico potencialmente más estricto.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: La aleación 20Cr suele ser la opción más económica debido a que contiene menos elementos de aleación y su proceso de fusión y procesamiento es más sencillo. La aleación 20CrMnTi tiene un precio superior debido a la microaleación adicional de Mn y Ti y a un control de procesamiento más estricto.
• Disponibilidad: Ambos grados se producen habitualmente en acerías que suministran forjados, barras y piezas en bruto en regiones con una industria pesada de fabricación de maquinaria. El 20Cr suele estar más disponible en barras y forjados estándar; el 20CrMnTi puede requerir pedidos a acerías o distribuidores que suministren aceros microaleados para cementación.
• Formatos del producto: ambos están disponibles en barras, forjados y piezas mecanizadas. Especifique los certificados de fábrica y las condiciones del tratamiento térmico para garantizar la trazabilidad.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Atributo	20Cr	20CrMnTi
soldabilidad	Moderado (mejor que los aceros de alta aleación)	Ligeramente inferior (mayor contenido de CE y microaleación)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Adecuado para el servicio estándar.	Mayor resistencia y tenacidad del núcleo para una dureza superficial similar.
Costo	Más bajo	Más alto

Recomendación: - Elige 20Cr si: - La aplicación requiere un acero de carburización estándar para cargas y demandas de fatiga moderadas. - El coste y la amplia disponibilidad son prioritarios. - Los requisitos de profundidad de la capa endurecida son de superficiales a moderados, y el tratamiento térmico convencional es suficiente. - Elija 20CrMnTi si: La pieza requiere mayor templabilidad, mayor resistencia del núcleo o una resistencia superior a la fatiga. - El refinamiento del grano y la mejora de la resistencia al revenido son importantes (por ejemplo, en piezas sometidas a fatiga de alto ciclo). - Se acepta un coste de material ligeramente superior a cambio de un mejor rendimiento y se puede controlar el tratamiento térmico (templado, revenido) con precisión.

Nota final: En las adquisiciones y los planos, especifique siempre la profundidad de cementación requerida, la dureza superficial, la dureza/tenacidad del núcleo y cualquier tratamiento térmico o protección superficial posterior a la soldadura. Verifique los certificados de fábrica y los registros de tratamiento térmico de cada lote: el rendimiento práctico depende principalmente de la composición química exacta del material suministrado y de la rigurosidad del proceso, más que de la denominación nominal del grado.