20CrMnTi frente a 20CrNiMo: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Elegir entre 20CrMnTi y 20CrNiMo es un dilema común para ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción que especifican aceros de cementación para engranajes, ejes y componentes de máquinas sometidos a altas cargas. Las compensaciones típicas en la selección incluyen el equilibrio entre coste y dureza, soldabilidad y tenacidad del núcleo, y maquinabilidad y vida útil bajo desgaste y fatiga.

La principal diferencia entre estos dos grados radica en su estrategia de aleación: uno se basa en la microaleación y un equilibrio optimizado de manganeso/cromo para favorecer la carburización y controlar la tenacidad, mientras que el otro incorpora níquel y molibdeno para aumentar la templabilidad y mejorar la resistencia del núcleo y la resistencia a la fatiga. Dado que ambos se utilizan como aceros de carburización (endurecimiento superficial), se comparan habitualmente cuando los diseñadores necesitan un equilibrio entre una superficie resistente al desgaste y un núcleo dúctil y tenaz.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes que se deben consultar al especificar cualquiera de los grados: normas nacionales e internacionales como GB/T (China), EN/ISO, JIS (Japón) y listas de materiales de la industria regidas por ASTM/ASME cuando se requieren equivalentes.
• Clasificación:
• 20CrMnTi — acero aleado de cementación (grado de carburización microaleado).
• 20CrNiMo — acero aleado cementante con níquel y molibdeno (grado de cementación de mayor templabilidad).
• Nota: Los límites y tolerancias químicas exactas deben confirmarse con la norma específica o la hoja de datos del fabricante utilizada en la adquisición; nombres como “20CrMnTi” y “20CrNiMo” son designaciones comerciales/de estilo GB comunes y pueden tener equivalentes locales en EN o JIS.

2. Composición química y estrategia de aleación

Elemento	20CrMnTi (nivel relativo)	20CrNiMo (nivel relativo)	Comentarios
do	Medio (diseñado para carburizar superficies)	Medio (diseñado para carburizar superficies)	Ambos tienen un contenido nominal de carbono de entre 0,18 y 0,25 % como base para la carburización; el carbono del núcleo se mantiene moderado.
Minnesota	Moderado	Moderado	El manganeso mejora la templabilidad y la resistencia a la tracción en ambos aceros; los niveles están equilibrados para la cementación de aceros.
Si	Bajo	Bajo	El silicio es un desoxidante y proporciona un pequeño aumento de resistencia; se mantiene en bajas concentraciones para la carburización.
PAG	Muy bajo (impureza)	Muy bajo (impureza)	El fósforo se controla a niveles bajos para garantizar la resistencia.
S	Muy bajo (impureza)	Muy bajo (impureza)	El contenido de azufre se mantiene bajo excepto cuando se especifican grados de fácil mecanizado (lo cual no es típico en este caso).
Cr	Bajo–moderado	Bajo–moderado	El cromo contribuye a la endurecimiento superficial y a la resistencia al desgaste en ambos.
Ni	Rastro / ninguno	Presente (moderado)	El níquel en el 20CrNiMo aumenta la tenacidad y la templabilidad del núcleo.
Mes	Rastro / ninguno	Presente (pequeño)	El molibdeno mejora la templabilidad y la resistencia al revenido en 20CrNiMo.
V	Rastro	Rastro	El vanadio puede estar presente en pequeñas cantidades como impureza o microaleación en algunos lotes.
Nótese bien	Rastro	Rastro	El niobio no es una característica definitoria para ninguno de los dos grados.
Ti	Microaleación	Rastro/ninguno	El 20CrMnTi contiene titanio como adición de microaleación para el refinamiento del grano y carbonitruros.
B	Rastro	Rastro	El boro puede aparecer en cantidades traza en algunas variantes de acero para aumentar la templabilidad; verifique las especificaciones del fabricante.
norte	Controlado (bajo)	Controlado (bajo)	El nitrógeno se controla para limitar la formación de nitruros y mantener la tenacidad.

Cómo afecta la aleación al rendimiento El titanio en la aleación 20CrMnTi fija el nitrógeno y el carbono (TiN/TiC), refina el tamaño de grano de la austenita previa y puede mejorar la resistencia a la fatiga y la estabilidad dimensional de la capa superficial. Resulta especialmente útil para controlar el crecimiento del grano durante el tratamiento térmico. El níquel y el molibdeno en la aleación 20CrNiMo aumentan la templabilidad, permiten un endurecimiento mayor para un temple determinado y mejoran la resistencia y la tenacidad del núcleo tras el revenido. El molibdeno también incrementa la resistencia al revenido y ayuda a mantener la dureza a altas temperaturas. - El cromo en ambos grados ayuda a lograr una capa dura y resistente al desgaste después de la carburización y el temple.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

El proceso típico para ambos grados consiste en la carburización (con gas, en atmósfera modificada o al vacío), seguida de temple y revenido para producir una capa dura martensítica o bainítica con un núcleo templado más resistente.

Comportamiento de la microestructura: - Capa superficial: Tras la carburización y el temple, ambas aleaciones desarrollan una capa superficial martensítica con alto contenido de carbono (a menudo templada hasta alcanzar la dureza deseada). La concentración de cromo y carbono superficial controla la dureza superficial y la resistencia al desgaste. Núcleo: La aleación 20CrNiMo, con Ni y Mo, logra una mayor templabilidad y, por lo tanto, un núcleo más tenaz y de mayor resistencia bajo condiciones de temple similares. La aleación 20CrMnTi suele producir un núcleo ligeramente más blando y dúctil, lo cual resulta ventajoso cuando se priorizan la tenacidad al impacto y la detención de la propagación de grietas por fatiga. - Papel del Ti: El titanio en la aleación 20CrMnTi forma carbonitruros finos que fijan los límites de grano y reducen el crecimiento del grano de austenita durante el procesamiento a alta temperatura. Esto refina el tamaño de los paquetes de martensita revenida y puede mejorar la resistencia a la fatiga y la resistencia a la fragilización por revenido.

El tratamiento térmico influye en: Normalización: Se utiliza para homogeneizar y refinar la estructura del grano de austenita antes de las operaciones de carburización y forjado. Ambos grados se benefician de la normalización previa a los ciclos finales de carburización. Carburización + Temple + Revenido: Proceso industrial principal. El 20CrNiMo permite alcanzar mayores profundidades de capa efectivas con el mismo programa de carburización gracias a su mayor templabilidad; el 20CrMnTi está optimizado para obtener capas delgadas o medianas, estables y resistentes al desgaste, con un núcleo dúctil. - Procesamiento termomecánico: El recalcado, el laminado controlado o la forja, seguidos de tratamientos térmicos adecuados, mejoran aún más la tenacidad y la vida a fatiga; las estructuras martensíticas/bainíticas y la dispersión de carburos se pueden adaptar mediante el control del proceso.

4. Propiedades mecánicas

Propiedad	20CrMnTi (comportamiento típico)	20CrNiMo (comportamiento típico)
Resistencia a la tracción (núcleo, templado)	Moderado	Mayor (debido a Ni/Mo)
Resistencia a la fluencia (núcleo)	Moderado	Más alto
Alargamiento (ductilidad)	Bueno (núcleo más dúctil)	Ligeramente inferior (mayor fuerza)
Resistencia al impacto (núcleo)	De bueno a muy bueno	Muy buena a excelente (el níquel mejora la tenacidad)
Dureza (capa después de la cementación y el revenido)	Alta dureza superficial alcanzable	Se puede lograr una alta dureza superficial; la dureza del núcleo es mayor para el NiMo.

Interpretación - El acero 20CrNiMo normalmente muestra una mayor resistencia del núcleo y una tenacidad comparable o ligeramente mejorada cuando se trata térmicamente de forma adecuada, debido a que el níquel y el molibdeno mejoran el comportamiento de revenido y la templabilidad. - El 20CrMnTi hace hincapié en la estabilidad de la capa, la resistencia a la fatiga y un núcleo dúctil; el control del tamaño del grano mediante titanio contribuye a la vida útil a la fatiga bajo tensiones de contacto cíclicas. Las propiedades absolutas dependen de la profundidad de carburización, la severidad del temple y la temperatura de revenido; especifique estos parámetros del proceso para cumplir con el rendimiento requerido del componente en lugar de confiar únicamente en el nombre del grado.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de los aceros cementantes se ve influenciada por el equivalente de carbono y la presencia de elementos de aleación que aumentan la templabilidad. Dos índices empíricos de uso común son:

• Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (Ito y fórmula modificada): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - 20CrMnTi: El contenido moderado de carbono y la microaleación con titanio producen un equivalente de carbono moderado. El titanio puede formar precipitados estables; un exceso de titanio o un tratamiento térmico inadecuado pueden causar dureza localizada o sensibilidad a la zona afectada por el calor (ZAC). El precalentamiento y el control de la temperatura entre pasadas, junto con el uso de metal de aporte apropiado y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para secciones gruesas, son precauciones estándar. - 20CrNiMo: El níquel y el molibdeno adicionales aumentan la templabilidad y elevan el índice de equivalencia de carbono en comparación con aceros de cementación más simples. Esto incrementa el riesgo de endurecimiento de la zona afectada por el calor (ZAC) y fisuración en frío, a menos que se utilicen un precalentamiento adecuado, control entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura. Utilice consumibles de bajo hidrógeno y seleccione un metal de aporte con la tenacidad requerida.

Recomendación general: Para ambos aceros, idealmente la soldadura debe realizarse sobre material normalizado/recocido, con precalentamiento y PWHT determinados por el espesor y los valores calculados de $CE_{IIW}$/$P_{cm}$, y consultando las especificaciones del molino y del procedimiento de soldadura.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el 20CrMnTi como el 20CrNiMo son aceros aleados no inoxidables. Su resistencia a la corrosión en ambientes atmosféricos o ligeramente agresivos es limitada y generalmente se controla mediante recubrimientos y diseño.
• Opciones de protección de la superficie: galvanizado en caliente (limitado para uso a altas temperaturas), electrodeposición, fosfatado + pintura, recubrimiento en polvo, recubrimientos de conversión o revestimientos resistentes al desgaste en aplicaciones deslizantes.
• Nota: Los procesos posteriores a la carburización y el acabado superficial afectan la adherencia del recubrimiento y la resistencia a la corrosión; las prácticas de limpieza, neutralización y alivio de tensiones son importantes.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se aplica a los aceros inoxidables y no es aplicable a estos aceros cementantes no inoxidables: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Utilice diseños y recubrimientos protectores si los componentes están expuestos a medios corrosivos; para el desgaste y la corrosión combinados, considere la ingeniería de superficies (cromo duro, nitruración, recubrimientos PVD/CVD o aleaciones resistentes a la corrosión para zonas de sacrificio).

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• En estado recocido o normalizado, el 20CrMnTi es generalmente más fácil de mecanizar que el 20CrNiMo porque el contenido de Ni/Mo de este último tiende a endurecerse por deformación y a reducir su maquinabilidad.
• Siempre que sea posible, ambos grados deben mecanizarse según la tolerancia antes de la carburización; el rectificado o lapeado final después del tratamiento térmico logra el acabado dimensional y superficial.
• Formabilidad:
• Ambos grados pueden conformarse (doblado, laminado) en estado blando o normalizado. Tras la cementación y el temple, la conformabilidad se pierde prácticamente por completo; es necesario realizar el mecanizado y el acabado previamente.
• Acabado superficial:
• Para lograr tolerancias ajustadas y en los flancos de los dientes de los engranajes, se requiere rectificado y pulido posteriores a la carburización. Los precipitados de carburo (p. ej., TiC) en el acero 20CrMnTi pueden afectar ligeramente el desgaste abrasivo de las herramientas de corte.

8. Aplicaciones típicas

20CrMnTi — Usos típicos	20CrNiMo — Usos típicos
Engranajes, piñones y ruedas dentadas donde la vida útil a la fatiga es crítica y se requiere estabilidad de la carcasa	Engranajes sometidos a cargas elevadas, ejes de gran tamaño y componentes que requieren carcasas endurecidas más profundas y mayor resistencia del núcleo.
Ejes y árboles sometidos a fatiga por contacto de rodadura	Piezas de transmisión sometidas a altas tensiones en maquinaria pesada y componentes de energía eólica que requieren una mayor dureza transversal.
Piezas cementadas de tamaño pequeño a mediano donde el coste y la maquinabilidad son importantes.	Componentes donde un mayor espesor de la capa efectiva o una mayor resistencia del núcleo justifican el costo de la aleación
Aplicaciones que requieren una mayor resistencia a la fatiga mediante el refinamiento del grano	Piezas que operan bajo cargas cíclicas severas o impactos donde la tenacidad del NiMo es ventajosa.

Justificación de la selección: - Elija 20CrMnTi cuando priorice la resistencia a la fatiga, la metalurgia controlada de la capa superficial y un menor coste de aleación para componentes cementados típicos. - Elija 20CrNiMo cuando necesite mayor templabilidad para capas más profundas o mayor resistencia/tenacidad del núcleo, especialmente para secciones transversales grandes o componentes expuestos a cargas sostenidas elevadas.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero 20CrNiMo suele ser más caro que el 20CrMnTi debido a su contenido en níquel y molibdeno. La diferencia de precio depende de las cotizaciones de los metales en el mercado y del volumen de pedidos.
• Disponibilidad: Ambos grados son comunes en el mercado, en forma de barras, forjados y anillos, procedentes de acerías que producen aceros para cementación; el suministro regional puede variar. El 20CrMnTi suele ser un producto estándar en muchas acerías, mientras que el 20CrNiMo puede fabricarse bajo pedido o como grado estándar de alta dureza en regiones que abastecen a la industria pesada.

10. Resumen y recomendación

Aspecto	20CrMnTi	20CrNiMo
soldabilidad	Regular a buena (CE moderada; vigilar los efectos del titanio)	Regular (CE más alta; requiere precalentamiento/PWHT más estricto)
Resistencia-Tenacidad (núcleo)	Buena tenacidad, resistencia moderada	Mayor resistencia del núcleo y excelente tenacidad tras el tratamiento térmico.
Costo	Menor (generalmente)	Mayor (debido a Ni, Mo)

Elija 20CrMnTi si: - Para componentes como engranajes, piñones y ejes de tamaño mediano, se necesita un grado de carburización económico con buena resistencia a la fatiga y un núcleo dúctil. - La maquinabilidad en estado blando y una microestructura superficial estable y refinada son prioritarias.

Elija 20CrNiMo si: - Se requiere una mayor templabilidad para lograr una mayor profundidad efectiva de la capa endurecida o una mayor resistencia del núcleo en componentes de gran sección transversal o en transmisiones de servicio pesado. - La aplicación exige una mayor resistencia al revenido y una tenacidad superior del núcleo, incluso a costa de un mayor coste de material.

Nota final: Ambos grados ofrecen un rendimiento fiable cuando se combinan con un programa de cementación, un temple y un tratamiento térmico adecuados. Especifique la profundidad de capa requerida, los objetivos de dureza/tenacidad del núcleo y las cargas de servicio previstas para que los metalúrgicos o proveedores de acero puedan recomendar la aleación precisa y el ciclo de tratamiento térmico que cumpla con los objetivos de rendimiento y coste de la pieza.