20Mn frente a 40Mn: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen elegir entre aceros de 20Mn y 40Mn al especificar aceros de medio carbono con manganeso para ejes, engranajes, piezas forjadas y componentes estructurales. El dilema de la selección generalmente radica en equilibrar la resistencia y la resistencia al desgaste con la conformabilidad y la soldabilidad: se suele elegir un grado cuando se prioriza un menor contenido de carbono y una fabricación más sencilla, mientras que se opta por el otro cuando se requiere una mayor templabilidad y una mayor resistencia tras el temple.

A simple vista, la principal diferencia de ingeniería entre ambos grados radica en su equilibrio de aleación carbono-manganeso y la consiguiente templabilidad y respuesta al tratamiento térmico. Estas diferencias se traducen en microestructuras contrastantes tras el tratamiento térmico y en distintas compensaciones entre resistencia, ductilidad y soldabilidad; de ahí su frecuente comparación directa en las decisiones de diseño y adquisición.

1. Normas y designaciones

Entre las designaciones normativas y marcos de clasificación comunes donde aparecen grados como 20Mn y 40Mn se incluyen: - GB (China): 20Mn, 40Mn aparecen como grados de acero al carbono-manganeso convencionales. - JIS (Japón): los aceros comparables a menudo se referencian por equivalencia química (por ejemplo, análogos de la familia S20C / S45C). - SAE/AISI: los equivalentes aproximados se encuentran en las familias SAE 10xx y 104x (por ejemplo, 1020 ~ bajo carbono; 1040 ~ medio carbono). - EN (Europa): funciones similares desempeñadas por los tipos EN Ckxx o C45 con variaciones de Mn.

Clasificación: tanto el 20Mn como el 40Mn son aceros aleados al carbono y al manganeso (no son inoxidables, ni HSLA en el sentido moderno, ni aceros para herramientas). Se utilizan habitualmente como aceros estructurales/de ingeniería de carbono medio, destinados al tratamiento térmico (templado y revenido) o al mecanizado/forjado tras la normalización.

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente muestra los elementos de aleación típicos e indicaciones cualitativas o de rango típico. Las composiciones exactas dependen de la edición estándar y las prácticas de fabricación; verifique siempre los certificados de materiales antes de la adquisición.

Elemento	Rol típico	20Mn (rango típico)	40Mn (rango típico)
do	Resistencia, templabilidad, dureza después del temple	Bajo (~0,16–0,24 % en peso)	Medio–alto (~0,36–0,44 % en peso)
Minnesota	Refuerzo por solución sólida, endurecimiento, desoxidación	Moderado (~0,7–1,2 % en peso)	Moderado (~0,6–1,0 % en peso)
Si	Desoxidante, fuerza	≤0,35 % en peso (generalmente bajo)	≤0,35 % en peso (generalmente bajo)
PAG	Impureza; riesgo de fragilización	≤0,035 % en peso	≤0,035 % en peso
S	Impureza; aditivo para la maquinabilidad cuando está elevado	≤0,035 % en peso	≤0,035 % en peso
Cr	Templabilidad, resistencia al desgaste (si la hubiera)	usualmente ≤0,25 % en peso	usualmente ≤0,25 % en peso
Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Modificadores de microaleación/temperabilidad (si los hubiera)	Rastro o ausente en los grados básicos	Rastro o ausente en los grados básicos

Notas: - Los rangos numéricos anteriores son representativos de los grados convencionales de 20Mn y 40Mn que se encuentran en la práctica GB/JIS/industrial; existen múltiples variantes y productos termomecánicos con composiciones químicas ajustadas. - El 20Mn suele tener un menor contenido de carbono para mejorar la soldabilidad y la ductilidad, mientras que el Mn proporciona cierto grado de fortalecimiento y templabilidad. - El acero 40Mn tiene como objetivo un mayor contenido de carbono para lograr una mayor dureza y resistencia al desgaste tras el temple; el manganeso sigue contribuyendo a la templabilidad y la resistencia, pero puede perjudicar la soldabilidad si se combina con un mayor contenido de carbono.

Resumen de los efectos de aleación: - El carbono aumenta la resistencia y la templabilidad, pero reduce la ductilidad y la soldabilidad. - El manganeso aumenta la templabilidad y la resistencia a la tracción; un exceso de Mn puede incrementar el riesgo de segregación y fragilidad en frío si no se controla. - Los elementos de microaleación (V, Nb, Ti) refinan el grano y mejoran la resistencia/tenacidad, pero no son intrínsecos a los grados básicos 20Mn/40Mn a menos que se especifique.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas y cómo las rutas de procesamiento las afectan:

• Laminado en caliente o recocido:
• 20Mn: predominantemente ferrita + perlita con perlita relativamente gruesa si se enfría lentamente; buena ductilidad.

• 40Mn: ferrita + perlita con mayor fracción de perlita y perlita más fina cuando se enfría más rápido; mayor dureza que 20Mn en estado recocido.

• Normalizando:

• Ambos grados refinan el tamaño de grano y producen una fracción más uniforme de ferrita-perlita o martensita revenida tras el temple. La normalización aumenta la resistencia en comparación con el recocido y mejora la consistencia de la maquinabilidad.

• Temple y revenido:

• 20Mn: menor dureza final de la martensita con la misma severidad de temple debido a un menor contenido de carbono; el revenido restaura la tenacidad manteniendo una resistencia moderada.
• 40Mn: un mayor contenido de carbono produce una mayor dureza de la martensita y una mayor resistencia máxima después del temple; requiere un revenido cuidadoso para evitar una fragilidad excesiva.

• La templabilidad para un espesor de sección dado está influenciada por el Mn; el mayor contenido de carbono del 40Mn aumenta la dureza alcanzable; el contenido de Mn influye en el diámetro crítico (D‑I) y en la profundidad de endurecimiento.

• Procesamiento termomecánico:

• El laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden producir mezclas finas de bainita/martensita en ambos grados; es más probable que el 40Mn forme microestructuras más duras a velocidades de enfriamiento equivalentes.

Notas de control de la microestructura: - El control del tamaño del grano y la protección contra la descarburación son fundamentales cuando se necesita una alta tenacidad. - Para secciones más gruesas, el mayor contenido de carbono del 40Mn aumenta el riesgo de martensita dura y quebradiza en la zona afectada por el calor (ZAC) durante la soldadura.

4. Propiedades mecánicas

Los resultados mecánicos dependen del tratamiento térmico y del tamaño de la sección. La tabla ofrece comparaciones cualitativas típicas y rangos indicativos para los tratamientos más comunes; verifique con los informes de ensayos de la fábrica.

Propiedad	20Mn (típico, recocido/normalizado/templado+revenido)	40Mn (típico, recocido/normalizado/templado+revenido)
Resistencia a la tracción	Moderado (recocido ~350–550 MPa; se puede aumentar mediante tratamiento térmico)	Mayor (recocido/normalizado ~500–800 MPa después de Q&T, aún mayor)
Fuerza de fluencia	Moderado	Más alto
Alargamiento (uniforme/total)	Mayor ductilidad (mejores valores de elongación)	Menor elongación en comparación con el 20Mn a niveles de resistencia similares.
resistencia al impacto	Buenas condiciones en estado recocido/normalizado; conservan la tenacidad después del revenido.	Menor tenacidad con resistencia equivalente debido a un mayor contenido de carbono; requiere estrategias de templado.
Dureza (HRC/HB)	Menor dureza alcanzable para un temple determinado; más fácil de mecanizar.	Mayor dureza alcanzable tras el temple; mayor resistencia al desgaste pero menor maquinabilidad tras el endurecimiento.

Interpretación: - El acero 40Mn generalmente alcanza mayor resistencia y dureza debido a su mayor contenido de carbono; es preferible cuando se prioriza la resistencia al desgaste y la capacidad de carga. - El acero 20Mn ofrece una mejor ductilidad y, en general, una soldabilidad superior, lo que lo hace adecuado para componentes que requieren conformado o unión con menor riesgo de agrietamiento en la ZAT.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende principalmente del equivalente de carbono y la microaleación. Dos índices de uso común son:

• Instituto Internacional de Equivalente de Carbono en Soldadura: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Dearden & O'Neill/Pcm (equivalente práctico de carbono) para aceros: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - El 20Mn normalmente produce un equivalente de carbono menor que el 40Mn (debido a su menor contenido de carbono), por lo que para niveles de Mn similares, el 20Mn tiene una soldabilidad superior, menores requisitos de precalentamiento y un riesgo reducido de agrietamiento en frío en la ZAT. - El mayor contenido de carbono del 40Mn aumenta $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$, incrementando la necesidad de precalentamiento, entrada de calor controlada, tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) o selección de material de relleno diseñado para reducir la dureza de la ZAT. - Si existen adiciones de microaleaciones (por ejemplo, V, Nb), elevan ligeramente estos índices y exigen un control de soldadura más estricto.

Mejores prácticas: - Para 40Mn, utilice precalentamiento y control de temperatura entre pasadas, consumibles con bajo contenido de hidrógeno y considere el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) si se requiere alta resistencia o tenacidad crítica. - Para el acero 20Mn, los procedimientos de soldadura estándar con precalentamiento moderado suelen ser adecuados para espesores comunes.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el acero 20Mn ni el 40Mn son inoxidables; su resistencia a la corrosión es típica del acero al carbono y requiere protección en ambientes corrosivos.
• Estrategias de protección de superficies:
• Galvanizado en caliente para exposición atmosférica.
• Galvanoplastia de zinc, sistemas de pintura, recubrimientos en polvo o imprimaciones orgánicas/inorgánicas para mayor protección.
• Protección catódica o recubrimientos especializados para ambientes marinos o químicos agresivos.

Índices de acero inoxidable como PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Estas recomendaciones no son aplicables a las aleaciones 20Mn o 40Mn, ya que no son aleaciones inoxidables y contienen cantidades insignificantes de Cr, Mo o N para su resistencia a la corrosión. Para entornos corrosivos, elija una aleación inoxidable o aplique recubrimientos protectores adecuados.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• Las máquinas con acero 20Mn (menor contenido de carbono) se trabajan más fácilmente en estado recocido; las herramientas de corte duran más y las velocidades de avance pueden ser mayores.
• El acero 40Mn, especialmente cuando está normalizado o endurecido, es más agresivo con las herramientas; la maquinabilidad disminuye con una mayor dureza.
• Formabilidad y flexión:
• El acero 20Mn presenta mejor conformabilidad en frío y mejor recuperación elástica debido a su mayor ductilidad.
• El 40Mn se conforma con menor facilidad; para formas complejas puede preferirse el precalentamiento o el conformado en caliente.
• Refinamiento:
• Ambos responden bien a los acabados superficiales convencionales; el 40Mn endurecido puede requerir rectificado en lugar de torneado para lograr acabados superficiales precisos.

Recomendación de fabricación: - Cuando se requieren tolerancias de mecanizado ajustadas con un desgaste mínimo de la herramienta, especifique 20Mn en un estado más blando o solicite temple intermedio. - Para componentes que requieran endurecimiento final y resistencia al desgaste, especifique 40Mn con los procesos de temple y revenido adecuados y tenga en cuenta los costos posteriores al mecanizado/tratamiento térmico.

8. Aplicaciones típicas

20 millones – Usos típicos	40 millones – Usos típicos
Ejes, pasadores, ejes, engranajes con cargas ligeras, componentes forjados en general donde la ductilidad y la soldabilidad son importantes.	Ejes sometidos a cargas elevadas, engranajes templados y revenidos, piezas de desgaste, forjados de alta resistencia que requieren mayor dureza.
Piezas estructurales que se soldarán y requieren una resistencia moderada	Componentes que requieren mayor resistencia al temple y al desgaste (por ejemplo, elementos de rodillos, engranajes pesados).
Piezas conformadas en frío y piezas que requieren mecanizado secundario	Piezas sometidas a altas tensiones de contacto donde se requiere dureza y resistencia a la fatiga tras un tratamiento térmico.

Justificación de la selección: - Elija 20Mn para diseños que prioricen la conformación, la soldadura y la tenacidad con demandas de resistencia moderadas. - Elija 40Mn para piezas donde una mayor resistencia y resistencia al desgaste después del endurecimiento sean preocupaciones primordiales y donde se puedan implementar procedimientos controlados de soldadura/HT.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El acero 20Mn suele ser menos costoso en su ciclo de vida total cuando se desea soldadura y un tratamiento térmico menos agresivo, porque un menor contenido de carbono reduce los costos de tratamiento térmico/tratamiento térmico posterior a la soldadura y los rechazos.
• El procesamiento del acero 40Mn puede resultar más costoso debido a los controles más estrictos de tratamiento térmico y soldadura, y a posibles pasos adicionales de mecanizado/endurecimiento.
• Disponibilidad:
• Ambos grados son comunes en regiones con una producción establecida de acero al carbono (por ejemplo, Asia, Europa).
• La disponibilidad de formatos de producto (barras, forjados, placas) depende de los programas de producción de la planta; el 20Mn puede estar más fácilmente disponible en formas de barras recocidas y bobinas de menor costo, mientras que el 40Mn está ampliamente disponible como forjados y barras tratables térmicamente.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (calificaciones cualitativas: Bueno / Regular / Malo)

Aspecto	20 millones	40 millones
soldabilidad	Bien	Moderado → requiere precalentamiento/PWHT
Resistencia-Templabilidad (potencial de temple)	Moderado	Alto
Tenacidad (a resistencia equivalente)	Mejor	Menor (a menos que se utilice un templado optimizado)
Maquinabilidad (recocido)	Bien	De moderado a malo cuando está endurecido.
Coste (procesamiento y tratamiento térmico)	Más bajo	Mayor (debido a los controles de alta temperatura/soldadura)

Conclusiones: - Elija 20Mn si necesita: mejor soldabilidad y conformabilidad, mayor ductilidad, producción más sencilla y menor riesgo de agrietamiento de la ZAT (zona afectada por el calor), típico de fabricaciones soldadas, piezas formadas y aplicaciones donde basta con una resistencia moderada. - Elija 40Mn si necesita: mayor resistencia al temple, mayor resistencia al desgaste y mayor resistencia a la fatiga después del temple y revenido adecuados; típico de engranajes, ejes y piezas de desgaste de servicio pesado donde se aceptan tratamientos térmicos rigurosos y soldadura controlada.

Nota final: estas comparaciones son esquemáticas; el rendimiento real depende de la composición química exacta, el tamaño de la sección, el ciclo de tratamiento térmico y las condiciones de servicio. Siempre verifique los certificados químicos y mecánicos completos de fábrica y, para aplicaciones críticas, realice pruebas específicas (calificación del procedimiento de soldadura, mapeo de dureza, pruebas de tenacidad) antes de la producción en serie.