20CrMo frente a 30CrMo: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Al seleccionar aceros aleados para componentes mecánicos críticos, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse a un dilema entre resistencia, tenacidad, coste y facilidad de fabricación. El 20CrMo y el 30CrMo son dos aceros aleados de cromo-molibdeno que se comparan frecuentemente para engranajes, ejes y piezas estructurales donde la resistencia a la fatiga y la capacidad de endurecimiento total o superficial son importantes.

La principal diferencia entre estas calidades radica en su contenido nominal de carbono y el enfoque de diseño resultante: una calidad se formula con menor contenido de carbono para mejorar la ductilidad, la tenacidad y la soldabilidad; la otra tiene mayor contenido de carbono para una mayor resistencia tras el temple y una mayor dureza alcanzable después del tratamiento térmico. Dado que los contenidos de cromo y molibdeno son similares, los diseñadores suelen elegir entre ellas en función del equilibrio entre resistencia y tenacidad requerido y las limitaciones de los procesos posteriores.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones internacionales y regionales comunes donde aparecen estos nombres:
• GB/T (China): 20CrMo, 30CrMo (utilizados frecuentemente en especificaciones nacionales)
• EN (Europa): las equivalencias suelen expresarse como números de la serie EN 10083 o 1.xxxx; las denominaciones directas uno a uno pueden diferir.
• JIS (Japón): existen aceros aleados similares, pero con códigos diferentes.
• ASTM/ASME: los aceros aleados cubiertos por la serie AISI/SAE (por ejemplo, la familia AISI 4135/4140) presentan composiciones químicas similares pero una nomenclatura diferente.
• Clasificación: Tanto el 20CrMo como el 30CrMo son aceros aleados (aceros de baja aleación, Cr-Mo). No son aceros inoxidables, aceros para herramientas ni aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) en el sentido estricto; se utilizan frecuentemente como aceros aleados de ingeniería para piezas templadas y revenidas o cementadas.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra las tendencias composicionales típicas para ambos grados. Los rangos reales varían según la norma y el productor; consulte siempre los certificados de fábrica para los cálculos de adquisición y diseño.

Elemento	20CrMo típico (en peso %)	Típico 30CrMo (en peso %)	Rol / Comentario
do	0,17–0,24	0,27–0,34	El carbono controla principalmente la templabilidad, la resistencia y la capacidad de dureza. El acero 30CrMo tiene un mayor contenido de carbono, lo que resulta en una mayor dureza tras el temple.
Minnesota	0,35–0,70	0,40–0,70	El manganeso mejora la templabilidad y la resistencia a la tracción.
Si	≤0,35	≤0,35	El silicio se utiliza para la desoxidación; pequeñas cantidades fortalecen la ferrita y afectan al templado.
PAG	≤0,025 (máx.)	≤0,025 (máx.)	El fósforo es una impureza residual; se mantiene en niveles bajos para evitar la fragilidad.
S	≤0,025 (máx.)	≤0,025 (máx.)	El azufre se controla para facilitar la maquinabilidad; se mantiene bajo para evitar la fragilidad en caliente.
Cr	0,80–1,20	0,90–1,30	El cromo aumenta la templabilidad, la resistencia y la resistencia al desgaste.
Ni	≤0,30 (a menudo nulo)	≤0,30 (a menudo nulo)	El níquel rara vez es significativo en estos grados.
Mes	0,15–0,30	0,15–0,30	El molibdeno aumenta la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas.
V	trazas–pequeñas	trazas–pequeñas	El vanadio puede estar presente en pequeñas cantidades en algunas fundiciones para el refinamiento del grano.
Nb, Ti, B	trazas (si está microaleado)	trazas (si está microaleado)	La microaleación es poco frecuente en el 20/30CrMo estándar, pero puede utilizarse para el control del tamaño del grano.
norte	rastro	rastro	Nitrógeno como residuo; afecta la tenacidad en pequeñas cantidades.

Cómo afecta la aleación al rendimiento: - Carbono: factor principal para la resistencia y la dureza alcanzable; un mayor contenido de carbono permite una mayor dureza tras el temple, pero reduce la soldabilidad y la ductilidad. - Cromo y molibdeno: ambos aumentan la templabilidad (profundidad/extensión de la transformación martensítica al enfriar), la resistencia al revenido y la resistencia a temperaturas elevadas. - Manganeso y silicio: mejoran la templabilidad y la resistencia; el silicio también facilita los tratamientos superficiales de carburización. - Los elementos de microaleación traza refinan el tamaño del grano de austenita previo y pueden mejorar la tenacidad sin un gran aumento de la resistencia.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas y respuestas a procesos térmicos comunes:

• Tal cual/normalizado:
• 20CrMo: matriz de ferrita-perlita con bainita revenida posible dependiendo del enfriamiento; los granos más finos después de la normalización mejoran la tenacidad.
• 30CrMo: mayor fracción de perlita y distribución de carburos más fina; el control del tamaño de grano de normalización es fundamental para lograr una buena tenacidad.
• Temple y revenido:
• Ambos grados forman martensita al enfriarse desde temperaturas de austenización; el revenido convierte la martensita en martensita revenida/bainita revenida, determinando el equilibrio final entre resistencia y tenacidad.
• El 30CrMo alcanza una mayor dureza y resistencia a la tracción a temperaturas de revenido comparables debido a su mayor contenido de carbono; sin embargo, puede ser más propenso a la fragilidad por revenido si este no está optimizado.
• Cementación superficial (cuando se requiere dureza superficial):
• Ambos aceros pueden utilizarse como núcleos bajo una capa cementada. El 20CrMo, con menor contenido de carbono en el núcleo, proporciona un núcleo más resistente y dúctil que el 30CrMo si se utiliza de forma similar.
• Procesamiento termomecánico:
• El laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden producir microestructuras bainíticas o martensíticas refinadas con mayor tenacidad; las adiciones de microaleación, si están presentes, ayudan al refinamiento del grano.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico. La tabla siguiente muestra rangos típicos generales para las condiciones de temple y revenido utilizadas en el diseño de ingeniería; verifique con los informes de ensayo de la fábrica.

Propiedad	20CrMo típico (Q&T)	Típico 30CrMo (Q&T)	Notas
Resistencia a la tracción (MPa)	~700–950	~800–1100	El acero 30CrMo tiende a producir una mayor resistencia máxima para un templado similar.
Límite elástico (MPa)	~450–700	~500–850	Un mayor contenido de carbono contribuye a un mayor rendimiento después del tratamiento térmico en 30CrMo.
Alargamiento (%)	~10–18%	~8–15%	En general, el 20CrMo ofrece mayor ductilidad.
Resistencia al impacto (prueba Charpy con muesca en V)	De bueno a muy bueno (depende del tratamiento térmico y la temperatura de la muesca)	Bueno, pero generalmente inferior al 20CrMo con niveles de resistencia iguales.	La tenacidad depende del tamaño del grano, el revenido y la limpieza.
Dureza (HRC o HB)	Dureza moderada a alta tras el tratamiento térmico; dureza del núcleo controlada para las piezas de la carcasa	Mayor dureza alcanzable; más sensible a las grietas por temple.	Las compensaciones en cuanto a dureza influyen en la maquinabilidad y la resistencia al desgaste.

Explicación: - El acero 30CrMo es más resistente en la mayoría de las condiciones de temple y revenido comparables porque su mayor contenido de carbono aumenta la fracción de martensita y la dureza. - El 20CrMo es generalmente más resistente y dúctil para niveles de resistencia comparables y es más fácil lograr una buena tenacidad con un tratamiento térmico conservador.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está determinada en gran medida por el equivalente de carbono y la templabilidad debido al contenido de aleación.

Fórmulas comunes de equivalencia de carbono utilizadas para la evaluación cualitativa: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ y un parámetro más conservador: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación (cualitativa): Debido a su mayor contenido de carbono, el acero 30CrMo presenta valores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ generalmente superiores a los del 20CrMo, lo que implica un mayor riesgo de zonas afectadas térmicamente duras y quebradizas, así como de fisuración en frío. Por ello, el precalentamiento y el control de la temperatura entre pasadas suelen ser necesarios para el acero 30CrMo. - El cromo y el molibdeno aumentan la templabilidad por igual en ambos grados, por lo que los procedimientos de soldadura deben abordar la aleación que promueve la formación de martensita. - El 20CrMo, con menor contenido de carbono, suele ser más fácil de soldar, pero aún así se beneficia del tratamiento térmico previo/posterior a la soldadura (PWHT) cuando se utiliza en aplicaciones críticas de alta resistencia.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el 20CrMo ni el 30CrMo son aceros inoxidables; su resistencia a la corrosión es limitada y comparable a la de otros aceros de baja aleación.
• Estrategias de protección típicas:
• Recubrimientos superficiales: galvanizado en caliente, sistemas pintados, recubrimiento en polvo o recubrimientos especiales resistentes a la corrosión.
• Recubrimiento: para componentes que requieren protección contra el desgaste y la corrosión leve.
• Consideraciones de diseño: drenaje, prevención de grietas y ánodos de sacrificio en ambientes marinos o agresivos.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) solo tiene sentido para los aceros inoxidables y no es aplicable a estos aceros de aleación Cr-Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice no debe utilizarse para aceros que no sean inoxidables, como el 20CrMo/30CrMo.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• El acero 20CrMo (menor contenido de C) generalmente se mecaniza más fácilmente y tiene una vida útil de la herramienta más larga que el 30CrMo; sin embargo, ambos son más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono simples de RU comparable debido a la aleación.
• Los niveles de dureza más elevados (en estado de temple o sin revenido completo) reducen la maquinabilidad y aumentan el desgaste de la herramienta.
• Formabilidad:
• El conformado en frío es más fácil con 20CrMo debido a su menor contenido de carbono y mayor ductilidad; 30CrMo es menos tolerante y puede requerir mayores fuerzas de conformado o conformado en caliente.
• Acabado superficial:
• Ambos materiales responden bien al rectificado, pulido y tratamientos superficiales después de un revenido adecuado; la carburización seguida de un revenido a baja temperatura es común para las superficies de engranajes.
• Nota clave de fabricación: para conjuntos soldados o tratados térmicamente, el control de la temperatura entre pasadas, el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) son esenciales para minimizar el agrietamiento y lograr la tenacidad deseada.

8. Aplicaciones típicas

20CrMo — Usos comunes	30CrMo — Usos comunes
Ejes sometidos a cargas elevadas, forjados donde se requiere un núcleo de gran resistencia	Ejes, engranajes y componentes de alta resistencia que requieren mayor dureza tras el temple.
Componentes cementados con núcleos resistentes (por ejemplo, piñones, engranajes pequeños).	Elementos de fijación de alta resistencia, engranajes templados donde se enfatiza la resistencia del núcleo.
Bloques y componentes estructurales que requieren buena soldabilidad y tenacidad	Componentes sometidos a cargas estáticas elevadas o donde se requiere una mayor resistencia al templado
Piezas mecánicas generales donde la maquinabilidad y la ductilidad son importantes	Piezas que requieren mayor resistencia al desgaste o mayores esfuerzos de funcionamiento

Justificación de la selección: - Elija 20CrMo cuando la tenacidad, la ductilidad, la soldabilidad y las propiedades posteriores a la soldadura sean prioritarias, o cuando se requiera un núcleo dúctil bajo una capa cementada. - Elija 30CrMo cuando se requiera una mayor resistencia o una mayor dureza tras el temple y cuando el diseño y la fabricación puedan adaptarse a controles más estrictos de soldadura y tratamiento térmico.

9. Costo y disponibilidad

• Coste de la materia prima: Ambos grados son similares en elementos de aleación (Cr, Mo), por lo que las diferencias en el coste del acero crudo son modestas; el 30CrMo puede ser ligeramente más caro por tonelada debido al impacto del mayor contenido de carbono en las demandas de tratamiento térmico posteriores y a los posibles controles de procesamiento más estrictos.
• Costes de tratamiento térmico y procesamiento: El acero 30CrMo suele conllevar mayores costes de proceso debido a un precalentamiento/PWHT más riguroso y una mayor susceptibilidad al agrietamiento por temple si no se controla adecuadamente, y en ocasiones a ciclos de revenido más prolongados.
• Disponibilidad por formato del producto: Ambos están ampliamente disponibles en forma de barras, forjados, placas y anillos de los principales proveedores; los plazos de entrega dependen del tratamiento térmico y la certificación requeridos.

10. Resumen y recomendación

Atributo	20CrMo	30CrMo
Soldabilidad	Mejor (menor CE)	Menor (mayor CE)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Más dúctil/más resistente con la misma resistencia	Mayor resistencia y dureza alcanzables, menor ductilidad
Costo (material + procesamiento)	Moderado	Ligeramente más alto en general debido al procesamiento

Recomendación: - Elija 20CrMo si necesita una aleación equilibrada con mejor soldabilidad, mayor tenacidad del núcleo, fabricación más sencilla y un margen de seguridad más amplio contra el agrietamiento relacionado con el temple; características típicas de componentes que requieren núcleos dúctiles, procedimientos de soldadura más sencillos o mejor resistencia a la fatiga a niveles de resistencia moderados. - Elija 30CrMo si la aplicación requiere mayor resistencia tras temple y revenido o mayor dureza final (por razones de desgaste o carga), y puede especificar procedimientos de soldadura controlados, precalentamiento/PWHT adecuado y un control riguroso del tratamiento térmico para mitigar el agrietamiento y la pérdida de tenacidad.

Nota final: Especifique siempre la norma exacta, las condiciones de tratamiento térmico requeridas y los criterios de aceptación de las pruebas. Confirme los certificados de fábrica y, para componentes críticos, solicite ensayos mecánicos (tracción, CVN), mapas de dureza y datos de tenacidad a la fractura del lote de tratamiento térmico específico para validar las hipótesis de diseño.