20Cr frente a 30Cr: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros 20Cr y 30Cr son dos aceros de baja aleación comúnmente especificados para componentes cementados o templados y revenidos en transmisiones de potencia, engranajes, ejes y piezas estructurales donde se requiere un equilibrio entre resistencia al desgaste superficial y tenacidad del núcleo. Los ingenieros y profesionales de compras suelen elegir entre ellos al considerar las disyuntivas entre resistencia, tenacidad, templabilidad, costo y maquinabilidad. Algunos ejemplos típicos incluyen la especificación de un material para un juego de engranajes donde la dureza superficial y la ductilidad del núcleo son importantes, o para un eje que debe resistir tanto torsión como impactos ocasionales.

La principal diferencia entre ambos grados radica en que el 30Cr se alea para lograr una mayor resistencia y templabilidad que el 20Cr; esto se consigue principalmente mediante incrementos moderados de carbono y cromo (y, en ocasiones, otros elementos de microaleación para el fortalecimiento). Por ello, el 30Cr generalmente ofrece mayor resistencia y templabilidad, a costa de una soldabilidad y maquinabilidad ligeramente inferiores en comparación con el 20Cr. Estas diferencias hacen que la comparación entre ambos sea útil al seleccionar aceros para componentes mecánicos sometidos a cargas de moderadas a altas.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes y su nomenclatura:
• GB/T (China): 20Cr, 30Cr (a menudo especificado para componentes cementados y templados)
• JIS (Japón): existen grados similares bajo diferentes códigos (por ejemplo, SCM, SN), pero pueden no ser equivalentes directos uno a uno.
• EN / ISO: las familias equivalentes serían las series 16MnCr, 20MnCr o 20CrMn (comprobar los números de pieza exactos).
• ASTM/ASME: no existe un número ASTM directo denominado exactamente “20Cr” o “30Cr”; los equivalentes se eligen en función de la coincidencia de sus propiedades químicas y mecánicas.
• Clasificación: tanto el 20Cr como el 30Cr son aceros de baja aleación (utilizados como aceros estructurales de carburización o de aleación media), no inoxidables, aceros para herramientas ni HSLA en sentido estricto. Se especifican generalmente para componentes que requieren endurecimiento superficial (carburización) o tratamiento de temple y revenido.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra los rangos de composición nominal típicos (en % peso) utilizados en la práctica industrial común. Las composiciones reales dependen de la norma o especificación del fabricante elegida; utilice el certificado del fabricante para la adquisición.

Elemento	20Cr (rango típico, % en peso)	30Cr (rango típico, % en peso)
do	0,16 – 0,24	0,24 – 0,32
Minnesota	0,40 – 0,80	0,50 – 0,90
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	0,80 – 1,30
Ni	≤ 0,30 (traza)	≤ 0,30 (traza)
Mes	≤ 0,10 – 0,20 (si se especifica)	≤ 0,10 – 0,30 (si se especifica)
V	trazas o ≤ 0,05 (si es microaleado)	trazas o ≤ 0,05 (si es microaleado)
Nb, Ti, B	traza (utilizado ocasionalmente en variantes microaleadas)	rastro (usado ocasionalmente)
norte	rastro	rastro

Notas: - La tabla proporciona rangos típicos; la adquisición debe hacer referencia a la norma exacta o al certificado del material. El acero 30Cr suele tener un mayor contenido de carbono y un contenido ligeramente superior de cromo y manganeso en comparación con el acero 20Cr. Algunas variantes pueden presentar microaleaciones adicionales (V, Nb, Ti) para mejorar la resistencia y el refinamiento del grano. - El aumento de la aleación (Cr, Mn y microaleación ocasional) incrementa la templabilidad y la resistencia al revenido y, junto con el carbono, controla los niveles de resistencia alcanzables.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono aumenta la resistencia y la templabilidad, pero reduce la ductilidad y la soldabilidad. - El cromo aumenta la templabilidad, la resistencia y la resistencia al revenido, y puede mejorar la resistencia al desgaste después del endurecimiento superficial. - El manganeso contribuye a la templabilidad y a la resistencia a la tracción. - Los elementos de microaleación (V, Nb, Ti) refinan el tamaño del grano, aumentan la resistencia a la fluencia mediante precipitación y mejoran la resistencia a la fatiga.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Las microestructuras típicas y las respuestas al tratamiento térmico difieren debido al nivel de carbono y aleación:

• 20Cr:
• En estado laminado/normalizado: microestructura de ferrita-perlita con granos relativamente finos si se lamina de forma controlada o se normaliza.
• Después de la carburización y el temple: una capa dura martensítica/carburizada con un núcleo más resistente y de menor contenido de carbono (martensita revenida o bainita revenida según el ciclo de temple/revenido).

• Temple y revenido (en masa): puede producir martensita revenida con resistencia moderada y buena tenacidad cuando se revenida adecuadamente.

• 30Cr:

• Laminado en caliente/normalizado: mayor proporción de perlita y microestructuras transformadas más finas que el 20Cr para un enfriamiento comparable debido a una mayor templabilidad.
• Después de un proceso idéntico de carburización/templado: capa endurecible más profunda y mayor resistencia de la capa/núcleo debido al mayor contenido de carbono y cromo; el núcleo puede transformarse en martensita más fácilmente que el 20Cr a menos que el enfriamiento sea lento.
• Temple y revenido (a granel): logra niveles de resistencia más altos a temperaturas de revenido similares, pero requiere un revenido cuidadoso para mantener una tenacidad aceptable.

Consideraciones sobre el tratamiento térmico: La cementación se utiliza ampliamente en ambos grados; el 20Cr se suele especificar cuando se requiere una capa superficial relativamente delgada y dura con un núcleo resistente. El 30Cr se selecciona cuando se necesita una capa superficial más profunda o una mayor resistencia del núcleo sin aumentar el tamaño de la sección. La normalización previa al tratamiento térmico final mejora la uniformidad. El medio de enfriamiento y el tamaño de la sección de la pieza influyen en la dureza final, especialmente en el caso del 20Cr, que presenta una menor templabilidad. - El revenido reduce la dureza y mejora la tenacidad; el 30Cr requiere regímenes de revenido ajustados para evitar una fragilidad excesiva derivada de un mayor contenido de carbono.

4. Propiedades mecánicas

Los rangos típicos de propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico y del tamaño de la sección. La tabla siguiente muestra rangos representativos para barras templadas y revenidas o piezas cementadas y revenidas; utilice datos de ensayo certificados para el diseño.

Propiedad	20Cr (rango típico)	30Cr (rango típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	600 – 950	700 – 1100
Límite elástico (0,2% de prueba, MPa)	350 – 700	450 – 850
Alargamiento (%)	12 – 20	8 – 16
Resistencia al impacto (Charpy V-notch, J)	De moderado a bueno (varía según el temperamento)	generalmente inferior a 20Cr con la misma dureza
Dureza (HRC o HB)	Núcleo templado: HRC ~20–40; capa cementada: HRC 55–62	Núcleo templado: HRC ~22–44; capa cementada: HRC 58–64

Interpretación: - El acero 30Cr suele tener mayor resistencia y templabilidad debido al mayor contenido de carbono y cromo; puede alcanzar mayores resistencias a la tracción y a la fluencia, pero la ductilidad y la tenacidad al impacto a una dureza determinada pueden ser algo menores que las del acero 20Cr. - El acero 20Cr suele ofrecer un mejor equilibrio entre tenacidad y soldabilidad para aplicaciones en las que no se requiere una resistencia absolutamente máxima. - Consulte siempre los certificados de materiales del proveedor y realice pruebas a nivel de componentes para aplicaciones críticas (fatiga, impacto a baja temperatura).

5. Soldabilidad

Los factores clave que influyen en la soldabilidad son el contenido de carbono, la aleación efectiva, el espesor y los tratamientos térmicos previos y posteriores. Dos índices empíricos de uso común son el equivalente de carbono IIW y la fórmula Pcm:

• Uso del equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (más conservador 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: El acero 20Cr, con menor contenido de carbono y una aleación ligeramente inferior, presenta un menor $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$, y por lo tanto, un mejor comportamiento tras la soldadura. Los requisitos de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) son menores que para el acero 30Cr. - El acero 30Cr, con mayor contenido de carbono y cromo, aumenta la templabilidad y el riesgo de formación de martensita en la zona afectada por el calor (ZAC); a menudo requiere un precalentamiento más alto, temperaturas entre pasadas controladas y, en muchos casos, tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para evitar el agrietamiento y restaurar la tenacidad. En ambos grados, las superficies cementadas no deben soldarse sin procedimientos especiales; la soldadura puede alterar el carbono local y generar zonas frágiles. Si es necesario soldar, siga los procedimientos indicados por las autoridades competentes y realice comprobaciones de tenacidad en la zona afectada por el calor (ZAC).

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el acero 20Cr ni el 30Cr son aceros inoxidables; ambos se consideran aceros al carbono/aleados y tienen una resistencia intrínseca a la corrosión limitada.
• Estrategias de protección típicas:
• Recubrimientos superficiales: según el entorno, se pueden utilizar galvanizado, electrodeposición o recubrimientos de conversión.
• Pinturas y recubrimientos industriales: sistemas epoxi y de poliuretano para protección atmosférica.
• Superficies cementadas: después de la carburización, a veces se aplican recubrimientos de acabado adicionales para la protección contra la corrosión, teniendo en cuenta que los recubrimientos deben tolerar la dureza de la superficie.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) es aplicable a los aceros inoxidables y no es relevante para el 20Cr/30Cr en sus formas estándar: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ El uso de PREN no tiene sentido para estos aceros que no son inoxidables.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• En general, el acero 20Cr se mecaniza más fácilmente debido a su menor contenido de carbono y a una templabilidad ligeramente inferior.
• El acero 30Cr puede ser más abrasivo para las herramientas después del tratamiento térmico y requiere velocidades de corte más lentas o herramientas más duras al mecanizar secciones endurecidas.
• Conformabilidad y trabajo en frío:
• Ambas calidades son trabajables en estado recocido o normalizado. El mayor contenido de carbono en el 30Cr reduce su conformabilidad; el conformado debe realizarse en estados más blandos tras un tratamiento térmico.
• Rectificado y acabado:
• Las capas cementadas y endurecidas requieren herramientas de diamante o CBN para un rectificado eficiente. El acabado superficial necesario para lograr la vida útil requerida a la fatiga por contacto es más complejo en capas más profundas y duras (comunes en el acero 30Cr).
• Distorsión por tratamiento térmico:
• La mayor templabilidad y las tensiones retenidas en el 30Cr pueden aumentar la sensibilidad a la distorsión durante el temple y el revenido en comparación con el 20Cr; el control del proceso y la sujeción son importantes.

8. Aplicaciones típicas

20Cr – Usos típicos	30Cr – Usos típicos
Engranajes, ejes, ejes estriados y piñones de servicio moderado donde se requiere una buena tenacidad del núcleo y el control de costos es importante.	Engranajes de mayor resistencia, ejes de mayor diámetro, pasadores y ejes de alta carga donde se requiere mayor resistencia del núcleo y un endurecimiento superficial más profundo
Componentes de transmisión automotriz con cargas medias	Ejes principales de cajas de cambios y componentes de transmisión de maquinaria pesada que requieren mayor resistencia a la fatiga
Piezas cementadas de uso general donde la maquinabilidad y la soldabilidad son factores a considerar.	Aplicaciones en las que una mayor templabilidad permite simplificar el diseño (secciones más gruesas, menor aleación en otras partes).

Justificación de la selección: - Elija 20Cr para componentes donde la tenacidad, la facilidad de mecanizado/soldadura y el menor coste del material sean prioritarios, y donde el tamaño de la sección sea de pequeño a moderado. - Elija 30Cr cuando el diseño requiera mayor resistencia volumétrica, mayor endurecimiento o mayor resistencia a la fatiga en secciones transversales más grandes.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El acero 30Cr suele tener un precio ligeramente superior al del acero 20Cr debido a su mayor contenido de aleación y a los controles de proceso potencialmente más estrictos necesarios para lograr una mayor resistencia.
• La diferencia de precio depende de los costes de los elementos de aleación en el mercado y del volumen de pedidos.
• Disponibilidad:
• Ambos grados se producen ampliamente en muchos mercados del acero (barras, forjados, placas), pero la disponibilidad de tamaños específicos, condiciones superficiales (recocido, normalizado, preendurecido) o variantes microaleadas puede variar según la región y la planta.
• Consejo de compras: especifique las condiciones de tratamiento térmico requeridas y los informes de pruebas de fábrica certificados; para componentes críticos, solicite certificados de pruebas mecánicas y análisis químicos.

10. Resumen y recomendación

Aspecto	20Cr	30Cr
soldabilidad	Mejor (menor CE, control de precalentamiento más sencillo)	Menor (mayor CE, necesita más precalentamiento/PWHT)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Buena tenacidad a una resistencia moderada	Mayor resistencia, ductilidad/tenacidad ligeramente reducida a igual dureza.
Costo	Menor (generalmente)	Mayor (generalmente)

Conclusión y orientación práctica: - Elige 20Cr si: - Necesitas un acero cementado o templado y revenido equilibrado y rentable, con buena tenacidad en el núcleo, mecanizado más fácil y soldabilidad más tolerante; ideal para secciones pequeñas y medianas y aplicaciones donde no se requiere una resistencia extrema. - Elige 30Cr si: - Su diseño requiere mayor resistencia volumétrica o mayor templabilidad (para piezas más grandes o sometidas a cargas pesadas), y puede aceptar la necesidad de una práctica de soldadura más cuidadosa, un control más estricto del tratamiento térmico y un costo de material ligeramente mayor.

Nota final: los términos 20Cr y 30Cr son abreviaturas prácticas. Siempre verifique el material elegido conforme a la norma específica o el certificado de fábrica para conocer su composición química exacta y sus propiedades mecánicas garantizadas, y califique los procedimientos de tratamiento térmico y soldadura para los componentes críticos.