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

Introducción

El 20Cr y el 20CrMo son dos aceros de baja aleación para carburización ampliamente utilizados en componentes de transmisiones, automoción y maquinaria en general. Los ingenieros y especialistas en compras suelen evaluarlos para piezas que requieren una superficie resistente al desgaste combinada con un núcleo dúctil y resistente a la fatiga (por ejemplo, engranajes, ejes y piñones). El dilema de la selección generalmente se centra en el coste y la disponibilidad frente a la necesidad de una mayor templabilidad y una mayor resistencia del núcleo en componentes de mayor tamaño o sometidos a cargas más elevadas.

La principal diferencia metalúrgica radica en la adición controlada de molibdeno en el acero 20CrMo, que incrementa la templabilidad y la resistencia al ablandamiento por revenido en comparación con la familia de aceros 20Cr sin molibdeno. Dado que ambos grados están diseñados como aceros cementantes, se comparan frecuentemente al especificar componentes cementados, donde las propiedades mecánicas del núcleo, la respuesta al tratamiento térmico y la soldabilidad difieren significativamente.

1. Normas y designaciones

Entre las normas y familias de designación comunes en las que aparecen estos aceros se incluyen: - GB/T (China): 20Cr, 20CrMo (aceros aleados para cementación) - JIS (Japón): existen grados de carburización similares (por ejemplo, las familias SNCM/SCM para aceros con contenido de molibdeno). - EN (Europa): los equivalentes aproximados se encuentran en las familias 16MnCr5 / 18CrNiMo7 (nota: las coincidencias directas uno a uno son raras). - ASTM/ASME: no existen nombres directos exactos; las referencias cruzadas suelen basarse en la coincidencia de la composición química y los requisitos de propiedades. Clasificación: ambos son aceros aleados destinados a aplicaciones de cementación (endurecimiento superficial), no aceros inoxidables, aceros para herramientas ni HSLA en el sentido moderno.

Confirme siempre la norma y especificación exactas que figuran en las órdenes de compra, ya que los rangos de composición y los niveles de impurezas permitidos varían según la norma.

2. Composición química y estrategia de aleación

Composiciones típicas (rangos aproximados en % en peso; consulte la norma de control o el certificado de análisis del proveedor para conocer los límites exactos):

Elemento	Típico 20Cr (en peso %)	20CrMo típico (en peso %)
do	0,17 – 0,24	0,17 – 0,24
Minnesota	0,25 – 0,65	0,30 – 0,65
Si	0,10 – 0,35	0,10 – 0,35
PAG	≤ 0,035 (máx.)	≤ 0,035 (máx.)
S	≤ 0,035 (máx.)	≤ 0,035 (máx.)
Cr	0,50 – 1,10	0,30 – 0,70
Ni	≤ 0,40 (si está presente)	≤ 0,40 (si está presente)
Mes	≤ 0,08 (generalmente mínimo)	0,15 – 0,30
V	≤ 0,08 (traza)	≤ 0,08 (traza)
Nótese bien	≤ 0,02 (traza)	≤ 0,02 (traza)
Ti	≤ 0,02 (traza)	≤ 0,02 (traza)
B	≤ 0,001 (traza)	≤ 0,001 (traza)
norte	típicamente bajo (ppm)	típicamente bajo (ppm)

Resumen de la estrategia de aleación: - El contenido de carbono se mantiene moderado para permitir una carburización eficaz (un bajo contenido de carbono en masa para aceptar un perfil de carbono superficial enriquecido). - El cromo proporciona templabilidad y cierta resistencia al revenido, y contribuye a la resistencia al desgaste y a las rozaduras en la carcasa. - El molibdeno en el 20CrMo es una adición intencional: pequeñas cantidades aumentan sustancialmente la templabilidad profunda, retrasan la temperatura de inicio de la martensita y mejoran la resistencia al revenido y al sobre-revenido en secciones gruesas o pesadas. - Los elementos de microaleación (V, Nb, Ti), si están presentes en cantidades traza, pueden refinar el tamaño del grano y mejorar la tenacidad, pero no son endurecedores primarios en estos grados.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - Laminado en caliente o normalizado: predominantemente ferrita + perlita (perlita fina deseable). - Después de la carburización y el temple: la capa superficial forma martensita de alto carbono (a menudo con austenita retenida dependiendo de la carburización y el temple); el núcleo se transforma en martensita revenida o bainita dependiendo de la templabilidad y la velocidad de enfriamiento. - Después del revenido: la capa exterior es de martensita revenida con carburos; el núcleo es de martensita/bainita revenida que proporciona tenacidad.

Cómo les afectan los distintos tratamientos térmicos: - La normalización refina el tamaño del grano y homogeneiza la microestructura; ambos grados responden de manera similar. Carburización + temple + revenido: este proceso es el caso de uso principal. La dureza superficial depende del contenido de carbono de la capa superficial y de la severidad del temple; la tenacidad del núcleo depende de la templabilidad de la aleación. - Temple y revenido (sin carburización): se utiliza para algunos componentes pequeños; el 20CrMo logra una mayor resistencia del núcleo para el mismo revenido debido a la templabilidad inducida por el Mo y la resistencia al revenido. - Procesamiento termomecánico: el refinamiento del grano y el laminado controlado pueden mejorar la tenacidad en ambos grados; el efecto del Mo sigue favoreciendo un endurecimiento más profundo en secciones grandes.

Debido a que el molibdeno aumenta la templabilidad y ralentiza el ablandamiento durante el revenido, el 20CrMo produce un núcleo más resistente y de mayor fuerza después de un tratamiento térmico idéntico en secciones más gruesas en comparación con el 20Cr.

4. Propiedades mecánicas

Rangos de propiedades típicas (después de los procesos comunes de carburización + temple y revenido; aproximados):

Propiedad	20Cr (típico)	20CrMo (típico)
Resistencia a la tracción (núcleo), MPa	700 – 950	750 – 1000
Límite elástico (núcleo), MPa	450 – 700	500 – 800
Alargamiento (A5, núcleo), %	10 – 18	8 – 16
Resistencia al impacto (Charpy V, núcleo), J	30 – 70	30 – 80
Dureza superficial (HRC, superficial)	58 – 62 (depende de la profundidad del caso)	58 – 62 (depende de la profundidad del caso)

Interpretación: - La dureza superficial que se puede lograr mediante carburización es similar para ambos grados porque el carbono superficial controla la dureza superficial. El acero 20CrMo generalmente alcanza una mayor resistencia del núcleo y una mejor resistencia al revenido (menor pérdida de resistencia durante el revenido), lo cual es especialmente importante para secciones transversales grandes. Esto hace que el 20CrMo sea preferible cuando se requiere una mayor templabilidad y mejores propiedades del núcleo. La ductilidad y la tenacidad se compensan con la resistencia; las características específicas dependen en gran medida del tratamiento térmico y del tamaño de la sección.

Nota: Los valores anteriores son rangos representativos; verifique siempre los requisitos de propiedades mecánicas con la norma o el certificado de prueba específicos.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está determinada por el equivalente de carbono en masa, los elementos de aleación y el espesor de la sección. Dos índices predictivos de uso común son:

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

y

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

Interpretación cualitativa: - Tanto el 20Cr como el 20CrMo tienen un contenido de carbono moderado y una aleación de baja a moderada; los valores calculados de $CE$ y $P_{cm}$ suelen estar en un rango que requiere precalentamiento y temperaturas entre pasadas controladas para secciones más gruesas. La presencia de Mo en el 20CrMo aumenta la templabilidad y, por lo tanto, incrementa el riesgo de fisuración en frío en la zona afectada por el calor (ZAC) en comparación con el 20Cr. Por consiguiente, el 20CrMo suele requerir procedimientos de soldadura más conservadores (mayor precalentamiento, revenido posterior a la soldadura en secciones gruesas). En secciones delgadas, con el procedimiento adecuado, ambos materiales son soldables con metales de aporte apropiados y un control preciso del proceso. Para piezas críticas, suele recomendarse un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

Siempre calcule el $CE$ o $P_{cm}$ relevante para la química del proveedor y siga las especificaciones del procedimiento de soldadura (WPS) correspondientes.

6. Corrosión y protección de superficies

Ni el 20Cr ni el 20CrMo son inoxidables; su resistencia a la corrosión es similar y limitada. Métodos de protección típicos: - Acabados superficiales: pintura, recubrimiento en polvo o recubrimientos de conversión. - Galvanizado: posible dependiendo de la geometría del componente y las tolerancias dimensionales. - Inhibidores de corrosión o lubricantes para superficies de contacto.

Los índices de resistencia a la corrosión, como el PREN, no son aplicables a estos aceros aleados que no son inoxidables. Si la resistencia a la corrosión es un requisito fundamental, seleccione un acero inoxidable o una aleación resistente a la corrosión en lugar de depender únicamente de los recubrimientos.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Ambos grados en estado laminado ofrecen una maquinabilidad aceptable, típica de los aceros de baja aleación; la maquinabilidad empeora después del tratamiento térmico y la carburización.
• Conformabilidad: Las operaciones de conformado se realizan en estado precarburizado y con bajo contenido de carbono para ambas calidades. El 20CrMo puede presentar un comportamiento de conformabilidad ligeramente diferente si la microaleación o una mayor templabilidad alteran la tensión de fluencia, pero las diferencias prácticas son mínimas.
• Rectificado y acabado: Las piezas terminadas (carburizadas + rectificadas) son comparables; las secciones del núcleo de 20CrMo pueden ser más difíciles de rectificar si se templan a niveles de resistencia más altos.

Para la fabricación en grandes volúmenes, considere los efectos posteriores de la adición de molibdeno en el desgaste de las herramientas y los tiempos de ciclo de rectificado.

8. Aplicaciones típicas

20Cr (usos típicos)	20CrMo (usos típicos)
Engranajes, piñones y estrías de tamaño pequeño a mediano (secciones delgadas)	Engranajes sometidos a grandes cargas, piñones grandes y ejes (secciones gruesas).
Ejes y árboles para cargas moderadas	Cigüeñales de automóviles, engranajes de transmisión de servicio pesado
Piñones pequeños, elementos de fijación que requieren una carcasa cementada	Elementos de fijación, pernos y componentes sometidos a altas tensiones que requieren una mayor resistencia del núcleo
Piezas para maquinaria agrícola	Piezas expuestas a cargas cíclicas con secciones transversales mayores

Justificación de la selección: - Elija 20Cr cuando el costo de fabricación y el rendimiento carburizado estándar sean suficientes para componentes de sección transversal delgada a media. - Elija 20CrMo cuando se requiera mayor templabilidad, mejor resistencia al revenido y mayor resistencia del núcleo, especialmente para engranajes y componentes de mayor tamaño sometidos a fatiga intensa o cargas de choque.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El 20CrMo es generalmente más caro que el 20Cr debido a la adición de molibdeno y a un control de fusión/análisis ligeramente más complejo.
• Disponibilidad: Ambos son comunes en los mercados que utilizan las normas GB/JIS; la disponibilidad según el formato del producto (barra, placa, forja, anillo) depende de las acerías regionales. Las piezas forjadas de mayor sección transversal en 20CrMo pueden tener plazos de entrega o cantidades mínimas de pedido.
• Consejo de compras: Especifique los límites químicos exactos y los requisitos de tratamiento térmico; solicite informes de pruebas de fábrica (MTR) y confirme los plazos de entrega para los grados que contienen Mo.

10. Resumen y recomendación

Aspecto	20Cr	20CrMo
soldabilidad	Mejor (menor riesgo de endurecimiento)	Moderado — requiere un precalentamiento/PWHT más cuidadoso
Equilibrio fuerza-resistencia (núcleo después del tratamiento)	Ideal para secciones delgadas/normales	Superior para secciones más gruesas/con mucha carga
Costo	Más bajo	Más alto

Elige 20Cr si: - Se necesita un acero de carburización rentable para secciones pequeñas y medianas donde la profundidad de capa convencional y la tenacidad del núcleo sean adecuadas. - Se prefieren la soldadura o procedimientos de tratamiento térmico más sencillos, y los tamaños de las secciones son moderados.

Elija 20CrMo si: - Los componentes tienen secciones transversales grandes, requisitos de revestimiento profundo o exigencias muy altas de resistencia/tenacidad del núcleo. - El diseño exige una mayor resistencia al temple y un menor riesgo de ablandamiento en servicio para piezas sometidas a cargas elevadas, y el proyecto puede asumir un coste de material ligeramente superior y procedimientos de fabricación/soldadura más controlados.

Nota final: Estas recomendaciones son generales. Siempre confirme la norma aplicable, la composición química del proveedor y el ciclo de tratamiento térmico previsto. Para componentes críticos, valide la selección mediante ensayos mecánicos de un material representativo y la cualificación completa del procedimiento de soldadura cuando sea necesario soldar.