2Cr13 frente a 3Cr13: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción a menudo se enfrentan a un dilema común al seleccionar aceros inoxidables martensíticos para componentes: equilibrar el coste y la maquinabilidad con la resistencia, la resistencia al desgaste y el comportamiento ante la corrosión. El 2Cr13 y el 3Cr13 son dos grados de acero inoxidable martensítico estrechamente relacionados que se consideran con frecuencia para componentes de válvulas, ejes, elementos de fijación y piezas de desgaste; la elección entre ellos suele depender de la carga de servicio, la dureza requerida, la soldabilidad y los requisitos de acabado superficial.

La principal diferencia entre estas dos calidades radica en su contenido de carbono: una se diseña con un nivel moderado para priorizar la tenacidad y facilitar la fabricación, mientras que la otra contiene una mayor proporción de carbono para lograr una mayor templabilidad y resistencia al desgaste tras el tratamiento térmico. Debido a que comparten un contenido de cromo similar, los diseñadores las comparan cuando se requiere una solución de acero inoxidable martensítico, pero deben sopesarse las ventajas y desventajas entre resistencia/dureza y tenacidad/soldabilidad.

1. Normas y designaciones

• Referencias y equivalentes internacionales comunes:
• GB (China): grados designados como 2Cr13, 3Cr13 bajo diversas normas GB/T para aceros inoxidables.
• Equivalencia JIS (Japón) / SUS: estos grados a menudo se consideran aproximadamente equivalentes a las familias martensíticas JIS/SUS (por ejemplo, en la vecindad SUS410/420) dependiendo de los niveles de carbono.
• EN / ASTM / ASME: no existe una única designación EN o ASTM equivalente para 2Cr13/3Cr13; en su lugar, consulte las clasificaciones de acero inoxidable martensítico (por ejemplo, equivalentes de EN X20Cr13 o listados tipo ASTM A276) y las tablas de referencias cruzadas de los proveedores.
• Clasificación: tanto el 2Cr13 como el 3Cr13 son aceros inoxidables martensíticos (es decir, aceros inoxidables tratables térmicamente con alrededor de 12-14% de Cr), no aceros inoxidables austeníticos, HSLA o aceros para herramientas en el sentido más estricto, aunque sus propiedades después del endurecimiento pueden parecerse a las de los aceros para herramientas endurecidos en algunas aplicaciones.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: rangos de composición típicos. Nota: las especificaciones comerciales varían según el molino y la norma; verifique siempre el certificado de análisis de cada colada o barra.

Elemento	2Cr13 (rango típico)	3Cr13 (rango típico)
C (carbono)	~0,15–0,25 % en peso (moderado)	~0,24–0,33 % en peso (superior)
Mn (manganeso)	≤ 1,0 % en peso (normalmente 0,3–1,0)	≤ 1,0 % en peso
Si (silicio)	≤ 1,0 % en peso (desoxidante)	≤ 1,0 % en peso
P (fósforo)	≤ 0,03–0,04 % en peso	≤ 0,03–0,04 % en peso
S (azufre)	≤ 0,03–0,04 % en peso	≤ 0,03–0,04 % en peso
Cr (cromo)	~12,0–14,5 % en peso	~12,0–14,5 % en peso
Ni (níquel)	≤ 0,5 % en peso (generalmente bajo)	≤ 0,5 % en peso
Mo (molibdeno)	Normalmente ninguna o trazas	Normalmente ninguna o trazas
V, Nb, Ti, B, N	Normalmente traza o no especificado	Normalmente traza o no especificado

Explicación de la estrategia - Cromo (Cr): Ambos grados utilizan cromo similar para proporcionar resistencia a la corrosión característica de los aceros inoxidables martensíticos y para permitir la formación de una microestructura martensítica al enfriarse. - Carbono (C): El principal factor diferenciador. Un mayor contenido de carbono en el 3Cr13 aumenta la templabilidad y la dureza alcanzable tras el temple/revenido, mejorando la resistencia al desgaste pero reduciendo la ductilidad y la soldabilidad en comparación con el 2Cr13, que tiene un menor contenido de carbono. Elementos minoritarios (Mn, Si, P, S): Se controlan para mejorar la desoxidación, la trabajabilidad en caliente y la maquinabilidad. El contenido de azufre puede aumentarse en las variantes de fácil mecanizado, pero esto reduce la resistencia a la corrosión y la tenacidad. - Equilibrio de aleación: Debido a que ambos grados son principalmente aceros Cr-C, dependen del equilibrio de carbono y cromo en lugar de adiciones significativas de Ni, Mo o V para ajustar sus propiedades.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructura base: Tanto en estado de producción como tras tratamiento térmico de solución, ambos grados son típicamente austeníticos o parcialmente austeníticos dependiendo de su historial de producción; tras un temple adecuado forman martensita.
• Efecto del carbono:
• 2Cr13 (carbono moderado): Produce una microestructura martensítica con menor tetragonalidad y menor dureza inicial tras el temple, en comparación con la aleación de mayor carbono. El revenido proporciona un equilibrio entre resistencia y tenacidad, con menor riesgo de fragilidad excesiva.
• 3Cr13 (mayor contenido de carbono): Produce una mayor fracción de volumen de martensita dura y más carburos retenidos después del tratamiento térmico, lo que permite una mayor dureza tras el temple y el revenido, pero aumenta la susceptibilidad a la fragilización por revenido si no se realiza correctamente.
• Rutas de tratamiento térmico:
• Recocido/recocido blando: Se utiliza para reducir la dureza para el mecanizado; ambos grados responden bien a un recocido blando, pero el 3Cr13 seguirá siendo más duro que el 2Cr13 en ciclos de recocido equivalentes.
• Temple y revenido: Austenizar a la temperatura específica del grado (generalmente entre 950 y 1020 °C para aceros tipo Cr13; consultar con el proveedor), templar (en aceite o aire, según el tamaño de la sección y la aleación) y revenido hasta alcanzar la dureza deseada. El acero 3Cr13 alcanza una mayor dureza a una temperatura de revenido dada debido a su contenido de carbono.
• Normalización y tratamiento termomecánico: La normalización puede refinar el tamaño del grano y mejorar la tenacidad; las aleaciones más pesadas o un mayor contenido de carbono requieren un control más cuidadoso para evitar una endurecimiento excesivo y el agrietamiento durante el enfriamiento.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: tendencias comparativas de las propiedades mecánicas (los valores dependen del tratamiento térmico; los rangos son indicativos).

Propiedad	2Cr13 (típico)	3Cr13 (típico)
Resistencia a la tracción	Moderado-alto (depende del tratamiento térmico)	Mayor (puede alcanzar una mayor resistencia a la tracción después del endurecimiento)
Fuerza de fluencia	Moderado	Más alto
Alargamiento (ductilidad)	Mejor ductilidad/elongación	Reducción del alargamiento en comparación con 2Cr13
resistencia al impacto	Generalmente mayor (mejor resistencia)	Menor resistencia al impacto cuando está endurecido.
Dureza (HRC o HB)	Menor dureza máxima después del revenido	Mayor dureza alcanzable después del revenido

Explicación Resistencia frente a ductilidad: El elevado contenido de carbono en el 3Cr13 aumenta la resistencia a la tracción y el límite elástico una vez transformado en martensita, pero a costa de la ductilidad y la tenacidad al impacto. El 2Cr13 ofrece un conjunto de propiedades más equilibrado para aplicaciones que requieren mayor tenacidad. - Nota: Los valores exactos dependen de la temperatura de austenización, el medio de enfriamiento, el tamaño de la sección y el programa de revenido; utilice siempre los datos de propiedades del proveedor y realice pruebas de calificación en aplicaciones críticas.

5. Soldabilidad

La soldabilidad se ve influenciada principalmente por el contenido de carbono, la aleación combinada (Cr, Mn, Mo, V) y el espesor de la sección. Un mayor contenido de carbono aumenta el riesgo de formación de martensita dura y quebradiza en la zona afectada por el calor (ZAC) e incrementa las necesidades de precalentamiento y postcalentamiento.

Índices cualitativos útiles: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula PCM (práctica para aceros inoxidables): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación El acero 3Cr13, con mayor contenido de carbono, presentará valores superiores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ que el 2Cr13, lo que implica una mayor propensión a formar microestructuras duras y propensas a la fisuración en frío en la ZAT. El precalentamiento, el control de la temperatura entre pasadas y el revenido posterior a la soldadura (PWHT) son más importantes para el 3Cr13. - El 2Cr13 es más soldable en las prácticas de taller estándar y tolera mejor los metales de aporte y los procesos de soldadura comunes, pero ambos grados pueden requerir controles cuidadosos y materiales de aporte adecuados para soldaduras estructurales o que soporten presión.

6. Corrosión y protección de superficies

• Comportamiento ante la corrosión: Ambos grados son aceros inoxidables martensíticos con un contenido de cromo de entre el 12 y el 14,5 %. Ofrecen una resistencia a la corrosión limitada en comparación con los grados austeníticos (p. ej., 304/316). La resistencia a la corrosión localizada (picaduras, grietas) es limitada, sobre todo en ambientes clorados.
• Consideraciones sobre materiales no inoxidables: Si no se requiere que una pieza sea de acero inoxidable o se va a utilizar en ambientes corrosivos, puede ser más apropiado aplicar recubrimientos protectores (el galvanizado no se suele utilizar en acero inoxidable; en su lugar, considere el chapado, la pasivación o los recubrimientos poliméricos) o especificar grados de acero inoxidable con mayor contenido de Cr/Cr-Mo.
• PREN (para grados austeníticos/dúplex; no muy informativo para aceros Cr13 martensíticos, pero se proporciona para mayor claridad): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Aclaración: El índice PREN se utiliza principalmente para clasificar la resistencia a la corrosión por picaduras en aceros inoxidables austeníticos/dúplex donde el contenido de Mo y N varía significativamente. Para 2Cr13/3Cr13, el índice PREN tiene una utilidad limitada, ya que el contenido de Mo y N suele ser mínimo.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Un mayor contenido de carbono y microestructuras más duras reducen la maquinabilidad. En estado recocido, ambas calidades son razonablemente maquinables; la 2Cr13 generalmente se mecaniza con mayor facilidad que la 3Cr13. Pueden existir variantes de fácil mecanizado (con adición de S o Se), pero estas sacrifican resistencia a la corrosión y tenacidad.
• Conformabilidad: El 2Cr13, con menor contenido de carbono, ofrece mejor conformabilidad en frío y capacidad de doblado. El 3Cr13, especialmente si está endurecido, será menos dúctil y menos adecuado para el conformado sin un recocido intermedio.
• Rectificado y acabado: La mayor dureza del 3Cr13 tras el tratamiento térmico hace que el rectificado y el acabado sean más laboriosos, pero proporciona una mayor vida útil a las superficies acabadas. Los requisitos y tolerancias del acabado superficial influyen en la elección: para un acabado preciso y una alta resistencia al desgaste, el 3Cr13 puede justificar un mayor coste de procesamiento.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: usos típicos por grado.

2Cr13 (usos comunes)	3Cr13 (usos comunes)
Vástagos de válvulas, ejes de bombas, elementos de fijación donde la tenacidad y la soldabilidad son importantes	Piezas de desgaste, filos cortantes, ejes pequeños y cojinetes que requieren mayor dureza y resistencia al desgaste.
Componentes martensíticos de uso general que requieren una resistencia a la corrosión moderada	Componentes que se endurecerán para lograr resistencia a la abrasión (por ejemplo, cuchillas de corte, herramientas pequeñas).
Piezas que requieren soldadura de filete o fabricación en taller	Piezas fabricadas con la dureza final, donde se prevén operaciones mínimas posteriores a la soldadura.

Justificación de la selección - Seleccione 2Cr13 cuando el servicio requiera una resistencia moderada, mayor tenacidad y una fabricación/soldadura más tolerante. - Seleccione 3Cr13 cuando se priorice una mayor dureza tras el temple/revenido y una mayor resistencia al desgaste, y cuando se pueda controlar o minimizar la fabricación.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero 3Cr13 puede tener un coste de materia prima ligeramente superior en algunos mercados debido a un control de carbono más estricto y a un procesamiento adicional (p. ej., temple/revenido para obtener una mayor dureza). Sin embargo, las diferencias de precio suelen ser modestas en comparación con los aceros inoxidables de mayor aleación.
• Disponibilidad por formato: Ambos grados suelen estar disponibles en forma de barras, alambre, piezas forjadas y componentes estampados en acerías regionales, si bien la disponibilidad puede variar según el país y el programa de producción de la acería. Los responsables de compras deben confirmar los plazos de entrega y si el proveedor puede suministrar los certificados de tratamiento térmico e inspección necesarios.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Atributo	2Cr13	3Cr13
Soldabilidad	Mejor (menor huella de carbono)	Más desafiante (mayor contenido de carbono)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Equilibrado entre tenacidad y ductilidad	Predominan las características de mayor resistencia y dureza.
Coste (típico)	Ligeramente inferior o similar	Es posible un coste de procesamiento ligeramente superior.

Conclusiones y recomendaciones - Elija 2Cr13 si necesita un acero inoxidable martensítico que equilibre la tenacidad, la soldabilidad y una resistencia a la corrosión razonable para componentes que requieren fabricación, resistencia al desgaste moderada y mecanizado más sencillo. - Elija 3Cr13 si el requisito principal es una mayor dureza y resistencia al desgaste después del temple y revenido, y si la soldadura/fabricación se puede minimizar o controlar con un precalentamiento adecuado, una selección correcta del material de aporte y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

Nota final: Ambos grados responden muy bien al tratamiento térmico; su rendimiento en servicio depende tanto del proceso de austenización y revenido seleccionado como de su composición nominal. Siempre valide el rendimiento mecánico, la resistencia a la corrosión y la soldabilidad con los certificados de materiales del proveedor y, para aplicaciones críticas, realice la calificación del procedimiento de soldadura y pruebas a nivel de componente.