20CrMo frente a 42CrMo: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

El 20CrMo y el 42CrMo son dos aceros de baja aleación de uso común en componentes de transmisión de potencia, engranajes, ejes y maquinaria pesada. Los ingenieros y responsables de compras a menudo deben elegir entre ambos al equilibrar la resistencia del núcleo, la dureza superficial, la templabilidad, la soldabilidad y el coste. Entre las decisiones típicas se incluye la necesidad de un componente con una capa endurecida y un núcleo dúctil (diseños de cementación) frente a un eje templado integralmente, de mayor resistencia, donde se requieren propiedades mecánicas uniformes.

La principal diferencia operativa radica en que un grado está diseñado para estrategias de carburización y endurecimiento superficial que producen un contenido de carbono relativamente menor, pero con mejores propiedades superficiales, mientras que el otro contiene un mayor contenido de carbono y aleación para lograr una mayor resistencia y tenacidad a través del espesor tras el temple y el revenido. Dado que ambos grados son aceros de baja aleación con adiciones de cromo y molibdeno, se comparan habitualmente para piezas rotatorias o sometidas a cargas similares, donde el tratamiento térmico determina el rendimiento final.

1. Normas y designaciones

• 20CrMo
• Normas de referencia habituales: designaciones GB (China) (p. ej., 20CrMo), equivalentes EN (aceros para cementación como el 5120/20Cr) y variantes JIS. Suele clasificarse como acero para cementación de baja aleación.
• Categoría: Acero de baja aleación diseñado para cementación (endurecimiento superficial).
• 42CrMo
• Normas de referencia comunes: GB 42CrMo (42CrMo4), EN 1.7225 / 42CrMo4, AISI/SAE 4140 (equivalente cercano), JIS. Clasificado como acero aleado de cromo-molibdeno para endurecimiento total.
• Categoría: Acero de baja aleación, templado y revenido (acero estructural/aleado).

Ninguno de los dos es acero inoxidable; son aceros aleados (no HSLA en el sentido más estricto, sino aleados para mejorar su templabilidad y resistencia).

2. Composición química y estrategia de aleación

A continuación se muestran los rangos típicos de elementos utilizados como guía (los rangos reflejan especificaciones comunes; los límites exactos dependen del estándar seleccionado y de las condiciones del tratamiento térmico).

Elemento	20CrMo típico (en peso %)	Porcentaje típico de 42CrMo en peso
do	0,17–0,25	0,38–0,45
Minnesota	0,35–0,65	0,50–0,90
Si	0,15–0,35	0,15–0,35
PAG	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0,40–0,70	0,90–1,20
Ni	≤ 0,30 (menor)	≤ 0,30 (menor)
Mes	0,08–0,20	0,15–0,30
V	≤ 0,05 (traza)	≤ 0,05 (traza)
Nótese bien	típicamente rastrean	típicamente rastrean
Ti	típicamente rastrean	típicamente rastrean
B	típicamente rastrean	típicamente rastrean
norte	típicamente rastrean	típicamente rastrean

Cómo afecta la aleación a las propiedades: El carbono es el factor determinante de la resistencia y la templabilidad. Un menor contenido de carbono en los aceros cementantes (20CrMo) favorece un núcleo dúctil y un buen gradiente entre la capa superficial y el núcleo tras la cementación. Un mayor contenido de carbono en el acero 42CrMo proporciona una mayor resistencia y dureza en toda la sección transversal tras el temple. - Cromo y molibdeno: aumentan la templabilidad, la resistencia al revenido y la resistencia mecánica; ambos grados utilizan Cr y Mo, pero el 42CrMo generalmente tiene un mayor contenido de Cr y Mo para permitir un endurecimiento total a niveles de resistencia más elevados. - Manganeso y silicio: contribuyen a la resistencia y la desoxidación. - Los elementos de microaleación (V, Nb, Ti) pueden estar presentes en cantidades traza para controlar el tamaño del grano y mejorar la tenacidad; no son elementos de aleación primarios en estos grados.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras y respuestas típicas: - 20CrMo - Laminado en caliente/normalizado: microestructura predominantemente de ferrita-perlita o de grano fino dependiendo de la normalización. Tras la carburización, el temple y el revenido, se obtiene una capa dura martensítica/carburizada con un gradiente de carbono controlado; el núcleo es de martensita revenida o ferrita-perlita revenida, con una resistencia relativamente menor y una mayor ductilidad. La carburización hace que el 20CrMo sea ideal para aplicaciones donde se requiere resistencia al desgaste superficial sin sacrificar la tenacidad del núcleo. - 42CrMo - Laminado/normalizado: ferrita-perlita; buen control del tamaño de grano debido al Cr y al Mo. Tras el temple y revenido: se transforma en martensita durante el temple y, tras el revenido, alcanza una alta resistencia y tenacidad en toda su sección transversal. La temperatura de revenido controla el equilibrio entre resistencia y tenacidad; una temperatura de revenido más alta disminuye la resistencia y aumenta la tenacidad. - Procesamiento termomecánico: Ambos grados responden al laminado controlado y al enfriamiento acelerado para refinar el tamaño del grano y mejorar las propiedades mecánicas; sin embargo, el mayor contenido de carbono y aleación del 42CrMo lo hace más receptivo al fortalecimiento mediante temple y revenido.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico y del tamaño de la sección. La tabla muestra rangos representativos para las condiciones de tratamiento térmico más comunes (normalizado, cementado/templado-revenido o templado y revenido). Estos valores son orientativos; para obtener valores críticos para el diseño, consulte las fichas técnicas o los certificados de ensayo del proveedor.

Propiedad	20CrMo (templado típico posterior a la carburización/núcleo)	42CrMo (templado y revenido típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	Núcleo: ~500–800	~800–1200
Límite elástico (MPa)	Núcleo: ~300–600	~600–1000
Alargamiento (%)	Núcleo: de moderado a bueno (10–18%)	Varía según el temperamento (8–16%)
Resistencia al impacto (J, temperatura ambiente)	Buena tenacidad del núcleo después del templado	De bueno a muy bueno con el templado adecuado; depende del nivel de temple.
Dureza (HRC o HB)	Dureza superficial alta (HRC 55–62), dureza del núcleo baja (HB 170–250)	Dureza total alcanzable (por ejemplo, HRC ~25–55 dependiendo del temple).

Explicación: ¿Cuál es más resistente? En estado de endurecimiento total, el 42CrMo ofrece mayor resistencia a la tracción y al límite elástico debido a su mayor contenido de carbono y aleación. ¿Cuál es más resistente/dúctil? El menor contenido de carbono en el núcleo del 20CrMo tras la carburización proporciona una ductilidad y tenacidad superiores, además de una capa exterior resistente al desgaste. El 42CrMo puede diseñarse para lograr un equilibrio entre tenacidad y resistencia mediante el revenido, pero normalmente tendrá mayor resistencia y menor ductilidad que el núcleo de una pieza de 20CrMo carburizada cuando ambos se optimizan para sus respectivas aplicaciones.

5. Soldabilidad

Consideraciones sobre la soldabilidad: El contenido de carbono y la templabilidad son clave. Un mayor contenido de carbono y aleación aumenta el riesgo de martensita dura y quebradiza en la zona afectada por el calor (ZAC) y, por lo tanto, incrementa los requisitos de precalentamiento/entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (TTPS). - 20CrMo: Su menor contenido de carbono mejora la soldabilidad en secciones no cementadas, pero si la pieza está cementada, la soldadura debe tener en cuenta la capa cementada (evite soldar a través de la capa sin los procedimientos adecuados). Los componentes cementados generalmente requieren atención previa y posterior a la soldadura. - 42CrMo: el mayor contenido de carbono y aleación da como resultado una mayor propensión al endurecimiento de la ZAT; el precalentamiento controlado y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) suelen ser necesarios para las soldaduras estructurales para evitar el agrietamiento. - El uso de fórmulas de equivalencia de carbono ayuda a evaluar la soldabilidad. Por ejemplo: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Interpretación: Valores más altos de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ indican mayor templabilidad y controles de soldadura más estrictos. En la práctica, el 42CrMo suele presentar valores de carbono equivalente más altos que el 20CrMo, lo que implica un precalentamiento de soldadura y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) más restrictivos.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el 20CrMo ni el 42CrMo son inoxidables; ambos requieren medidas de protección donde se necesita resistencia a la corrosión.
• Las protecciones comunes incluyen pintura, recubrimiento en polvo, aceitado, fosfatado o galvanizado en caliente, según el entorno. Para piezas con superficies de dimensiones precisas o tratadas térmicamente, pueden ser preferibles los recubrimientos mecánicos o los acabados lubricantes.
• Los índices de acero inoxidable como PREN no son aplicables a estos aceros al carbono/aleados. Para más información sobre aceros inoxidables: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Esto no es relevante para 20CrMo o 42CrMo porque sus niveles de Cr y Mo y la química de su matriz no están diseñados para la resistencia a la corrosión por picaduras.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• 20CrMo: maquinabilidad moderada en estado recocido o normalizado; el bajo contenido de carbono facilita el mecanizado en las zonas centrales. Las superficies carburizadas son difíciles de mecanizar tras el endurecimiento.
• 42CrMo: peor maquinabilidad que los aceros de bajo carbono cuando se endurecen; en estado normalizado o recocido, el mecanizado es manejable, pero la vibración y el desgaste de la herramienta son consideraciones a tener en cuenta debido al mayor contenido de carbono y aleación.
• Formabilidad:
• 20CrMo (recocido/normalizado): mejor capacidad de conformado en frío y doblado debido a su menor contenido de carbono en el núcleo. El conformado posterior a la carburización no es habitual.
• 42CrMo: conformabilidad en frío limitada en condiciones de alta resistencia; diseño para conformar en estado recocido/normalizado antes del tratamiento térmico final.
• Acabado superficial: Ambos materiales responden bien al rectificado, al granallado y al acabado superficial. El rectificado de componentes endurecidos requiere una selección adecuada de la herramienta y un control preciso del refrigerante.

8. Aplicaciones típicas

20CrMo (grado de carburización)	42CrMo (grado templado integral)
Engranajes (engranajes de transmisión con carcasa cementada)	Ejes y árboles que requieren alta resistencia a la torsión
Ejes y piñones estriados con superficie de desgaste dura	Sujetadores de alta resistencia, ejes de alta resistencia
Bujes o componentes que requieren una superficie resistente al desgaste y un núcleo robusto.	Cigüeñales, componentes de maquinaria pesada que requieren resistencia uniforme
Componentes diseñados para el proceso de carburización para combinar resistencia al desgaste y tenacidad.	Piezas estructurales donde se requiere endurecimiento total y propiedades macroscópicas predecibles

Justificación de la selección: - Elija 20CrMo si el diseño se beneficia de una superficie (capa) dura y resistente al desgaste con un núcleo dúctil y resistente; típico de engranajes y superficies de acoplamiento sometidas a altas cargas donde el desgaste por contacto es crítico. - Elija 42CrMo si la aplicación requiere una mayor resistencia uniforme del volumen y una mayor resistencia a la fatiga en toda la sección transversal, y donde el endurecimiento total sea aceptable o necesario.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: el acero 42CrMo suele costar más por tonelada que los aceros al carbono simples debido a su mayor contenido de aleación y a los requisitos de procesamiento más estrictos; el acero 20CrMo puede tener un precio similar o ligeramente inferior dependiendo del grado y del mercado, pero puede conllevar costes de procesamiento adicionales (carburización).
• Disponibilidad por formato: Ambos grados están ampliamente disponibles a nivel mundial en barras, forjados y placas, a través de acerías y distribuidores especializados. El 42CrMo (o equivalentes como AISI 4140 / 42CrMo4) es una aleación estándar que suele estar en stock; los grados de cementación como el 20CrMo también son comunes, pero pueden suministrarse como piezas en bruto normalizadas o precarburizadas.
• Costo total de propiedad: considere el tratamiento térmico (costo del ciclo de carburización para el 20CrMo), el mecanizado/rectificado posterior al tratamiento térmico y cualquier ensayo no destructivo o protección superficial adicional. Un grado base aparentemente más económico puede resultar más costoso tras los procesos de carburización y acabado.

10. Resumen y recomendación

Criterio	20CrMo	42CrMo
soldabilidad	Mejor para soldadura de núcleo; evite soldar a través de la carcasa cementada sin controles	Más restrictivo: a menudo se requiere un precalentamiento/PWHT más elevado.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Excelente combinación de carcasa y núcleo para resistencia al desgaste y robustez.	Mayor resistencia a través del espesor; tenacidad ajustable mediante templado.
Costo	Coste base competitivo; coste de proceso adicional para la carburización	Mayor coste de la aleación; ruta de tratamiento térmico más sencilla para el endurecimiento total

Recomendación: - Elija 20CrMo si necesita una superficie endurecida para mayor resistencia al desgaste, conservando al mismo tiempo un núcleo dúctil y resistente; típico de engranajes, piñones y ejes cementados. - Elija 42CrMo si necesita una mayor resistencia a través del espesor y una condición de temple y revenido predecible para ejes, árboles o componentes estructurales sometidos a cargas elevadas donde las propiedades uniformes son fundamentales.

Nota final: Siempre tenga en cuenta la selección del material en relación con la vida útil específica, la carga de fatiga, las restricciones dimensionales y los tratamientos posteriores a la fabricación (carburización, nitruración, temple y revenido, tratamiento térmico posterior a la soldadura). Confirme los límites químicos y mecánicos exactos en el certificado de fábrica o la norma aplicable antes de finalizar la adquisición o las especificaciones de diseño.