30Cr frente a 40Cr: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros 30Cr y 40Cr son dos aceros al carbono-aleados con cromo de uso común, originarios de las designaciones GB chinas y con equivalentes en numerosas listas internacionales por grados de composición química similar. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen sopesar estos dos grados al diseñar ejes, engranajes y componentes de servicio medio, donde se requiere un equilibrio entre resistencia, tenacidad, templabilidad, coste y maquinabilidad. Algunos contextos típicos de decisión incluyen la selección del grado para un muñón de cojinete templado y revenido, la elección del material para piezas cementadas o la optimización de la soldabilidad frente a la resistencia tras el endurecimiento total.

La principal diferencia de diseño entre ambas aleaciones radica en su contenido de carbono: la aleación 40Cr tiene mayor contenido de carbono que la 30Cr y, por lo tanto, generalmente alcanza una mayor resistencia mecánica y al desgaste tras el temple y el revenido, mientras que la 30Cr ofrece una ductilidad y soldabilidad ligeramente superiores para determinadas aleaciones. Dado que el cromo está presente en cantidades comparables, las comparaciones suelen centrarse en las diferencias de dureza, tenacidad y respuesta al tratamiento térmico debidas al contenido de carbono.

1. Normas y designaciones

• GB/T (China): 30Cr, 40Cr (designaciones comunes en la serie GB/T 699).
• JIS: Comparable a las familias SCM (por ejemplo, SCMn) dependiendo de la química y el procesamiento exactos.
• EN / EN ISO: No es directamente uno a uno, pero es similar a los aceros al cromo de carbono medio normalizados/templados y revenidos, como las variantes 42CrMo cuando hay aleación adicional presente.
• ASTM / ASME: No existe una coincidencia directa en el nombre del grado ASTM; existen categorías comparables en los aceros de aleación media AISI/SAE (por ejemplo, la familia 5140/4140 es análoga para las aleaciones de cromo-molibdeno).
• Clasificación: Ambos son aceros al carbono aleados (no inoxidables, no HSLA en el sentido moderno); se utilizan como aceros de carbono medio y aleación media, aptos para el tratamiento térmico.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra los rangos de composición típicos publicados para los grados GB/T 699. Los valores se expresan en porcentaje en masa. Los elementos traza (Ni, Mo, V, Nb, Ti, B) suelen estar presentes como impurezas o se omiten intencionalmente, a menos que se solicite una variante específica.

Elemento	30Cr (rango típico, % en peso)	40Cr (rango típico, % en peso)
do	0,27 – 0,34	0,37 – 0,44
Minnesota	0,50 – 0,80	0,50 – 0,80
Si	0,17 – 0,37	0,17 – 0,37
PAG	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0,80 – 1,10	0,80 – 1,10
Ni	≤ 0,30 (traza)	≤ 0,30 (traza)
Mes	≤ 0,08 (traza)	≤ 0,08 (traza)
V, Nb, Ti, B, N	traza/≤ límites especificados	traza/≤ límites especificados

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - Carbono: factor determinante de la resistencia y la dureza alcanzable después del temple/revenido; un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia y la resistencia al desgaste, pero reduce la ductilidad y la soldabilidad. - Cromo: aumenta la templabilidad y la resistencia al revenido; mejora la templabilidad y la resistencia en el núcleo de secciones más gruesas. - Manganeso y silicio: desoxidantes y elementos fortalecedores; el Mn aumenta la templabilidad de forma moderada. - La presencia de trazas de microaleación (V, Nb, Ti) refina el grano o precipita carburos/nitruros y puede mejorar la tenacidad o la resistencia a la fluencia.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras y respuestas típicas:

• En estado laminado o normalizado:
• 30Cr: la microestructura normalizada tiende hacia la perlita y la ferrita finas; un menor contenido de carbono produce una mayor fracción de ferrita y un comportamiento más dúctil.

• 40Cr: la microestructura normalizada contiene más perlita y menos ferrita debido a un mayor contenido de carbono, lo que proporciona mayor resistencia y dureza en comparación con 30Cr.

• Temple y revenido:

• Ambas calidades responden bien a los tratamientos de temple y revenido. El cromo aumenta la templabilidad, por lo que ambas pueden formar martensita en secciones medias al templarse en aceite desde una temperatura de austenización adecuada.
• El acero 40Cr alcanza una mayor dureza en estado de temple y una mayor resistencia tras el revenido debido a su mayor contenido de carbono; el acero 30Cr alcanza una menor dureza con el mismo régimen de austenización/templamiento, pero una mejor tenacidad después del revenido.

• Comportamiento ante el revenido: el cromo ayuda a mejorar la resistencia al revenido; a determinadas temperaturas de revenido, el acero 40Cr conservará una dureza mayor que el acero 30Cr.

• Carburización/nitruración:

• Ambas aleaciones pueden cementarse; la aleación 30Cr se prefiere a veces para componentes cementados superficialmente donde se desea un núcleo dúctil. La aleación 40Cr produce un núcleo más duro si no se cementa.

• Procesamiento termomecánico:

• El laminado controlado o el tratamiento termomecánico refina el tamaño del grano y mejora la tenacidad; los efectos son en general similares en dirección para ambos grados, pero el 30Cr se beneficia proporcionalmente más en las mejoras de ductilidad debido a su menor contenido de carbono.

4. Propiedades mecánicas

La siguiente tabla muestra rangos de propiedades indicativos típicos de las condiciones de tratamiento térmico más comunes. Los valores son ilustrativos y dependen en gran medida del tamaño de la sección, el tratamiento térmico específico y la norma de ensayo; utilice los certificados del proveedor para obtener datos críticos para el diseño.

Propiedad (rangos típicos)	30Cr (normalizado / Q&T)	40Cr (normalizado / Q&T)
Resistencia a la tracción (MPa)	520 – 700 (normalizado); 700 – 1000 (Q&T, dependiendo del temple)	600 – 780 (normalizado); 800 – 1050 (Q&T, dependiendo del temple)
Límite elástico (MPa)	300 – 480 (normalizado); 480 – 900 (Q&T)	350 – 540 (normalizado); 600 – 950 (Q&T)
Alargamiento (%)	12 – 20 (normalizado); 8 – 15 (Q&T)	10 – 18 (normalizado); 6 – 14 (Q&T)
Resistencia al impacto (J, temperatura ambiente)	De moderada a buena; superior a 40Cr para una resistencia similar.	Buen desempeño en condiciones normalizadas; inferior a 30Cr a niveles de resistencia comparables.
Dureza (HB o HRC)	HB ~ 160–240 (normalizado); hasta HRC 20–55 después de Q&T	HB ~ 170–240 (normalizado); hasta HRC 25–58 después de Q&T

¿Cuál es más fuerte, más resistente o más dúctil, y por qué? - Resistencia: El acero 40Cr generalmente alcanza mayor resistencia y dureza debido a su mayor contenido de carbono (mayor fracción de martensita y perlita al endurecerse). - Tenacidad: Para un nivel de resistencia determinado, el 30Cr suele presentar una mejor tenacidad porque un menor contenido de carbono reduce la fragilidad y disminuye la sensibilidad a las grietas. - Ductilidad: El 30Cr es más dúctil en condiciones comparables debido a su menor contenido de carbono.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende principalmente del equivalente de carbono y de la templabilidad local. 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 internacional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - Un valor más alto de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ implica un mayor riesgo de agrietamiento en frío y una mayor necesidad de precalentamiento, temperatura entre pasadas controlada y tratamiento térmico posterior a la soldadura. - Debido a que el 40Cr contiene más carbono, sus índices de equivalencia de carbono son típicamente más altos que los del 30Cr (suponiendo niveles similares de Mn y Cr), por lo que el 40Cr es relativamente más difícil de soldar sin precauciones. La microaleación (V, Nb) y un mayor contenido de Mn o Cr aumentan la templabilidad y la probabilidad de formación de martensita propensa a la fisuración en la ZAT. Para ambos grados, utilice consumibles de bajo hidrógeno, precaliente y parámetros de soldadura controlados para secciones más gruesas o con mayor contenido de carbono.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el acero 30Cr ni el 40Cr son inoxidables; su resistencia a la corrosión es comparable a la de otros aceros al carbono/aleados simples y es limitada en ambientes agresivos.
• Estrategias de protección típicas:
• Recubrimientos: galvanizado en caliente, electrogalvanizado o recubrimientos orgánicos (pinturas, recubrimientos en polvo).
• Tratamientos superficiales: fosfatado para la adherencia de la pintura, óxido negro para una protección leve contra la corrosión.
• Barreras: selladores o recubrimientos de sacrificio donde se produce ciclo de calentamiento o exposición a la sal.
• Los índices de corrosión del acero inoxidable, como el PREN, no son aplicables a estos grados de acero inoxidable. Si la resistencia a la corrosión es un factor determinante en el diseño, considere especificar acero inoxidable o alearlo con Mo/Ni y aplicar una pasivación adecuada, en lugar de basarse únicamente en estos grados.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Ambos aceros son mecanizables en estado recocido o normalizado. Un mayor contenido de carbono (40Cr) puede reducir la vida útil de la herramienta cuando está endurecida; el precalentamiento y unas condiciones de corte estables mejoran los resultados. El acero 30Cr es ligeramente más fácil de mecanizar y permite obtener un mejor acabado superficial con la misma herramienta.
• Conformabilidad/doblado: El acero 30Cr es más fácil de conformar o doblar en frío debido a su menor límite elástico y mayor ductilidad. El acero 40Cr puede requerir radios de curvatura mayores o recocido previo al conformado.
• Rectificado y acabado: La mayor dureza del 40Cr después del tratamiento térmico hace que el rectificado y el acabado sean más exigentes (abrasivos más duros, avances más lentos).
• Distorsión por tratamiento térmico: La mayor templabilidad y transformación martensítica en el 40Cr pueden aumentar el riesgo de distorsión en el temple; las estrategias cuidadosas de sujeción y revenido son importantes.

8. Aplicaciones típicas

30Cr — Usos típicos	40Cr — Usos típicos
Ejes cementados y templados donde se requiere un núcleo dúctil	Ejes, ejes y engranajes de alta resistencia que requieren una mayor resistencia al endurecimiento total
Engranajes y piñones con tratamiento superficial (núcleo de carbono inferior)	Piezas de máquinas sometidas a grandes esfuerzos, cigüeñales, engranajes grandes (templados en toda su masa).
Pernos, espárragos y piezas mecánicas en general que requieren una resistencia moderada con buena tenacidad.	Soportes de rodamientos, componentes laminados y forjados que requieren mayor resistencia al desgaste
Piezas de automoción con ciclos de endurecimiento superficial para combinar una superficie de desgaste y un núcleo dúctil.	Herramientas y matrices para componentes tratados térmicamente a tensiones medias que requieren mayor dureza.

Justificación de la selección: - Elija 30Cr cuando se necesite un núcleo más resistente y dúctil o una mejor soldabilidad, o cuando las piezas vayan a ser endurecidas superficialmente (carburizadas) con un núcleo más blando. - Elija 40Cr cuando se requiera mayor resistencia a la tracción, mayor resistencia al desgaste o mayor dureza final sin depender de una capa superficial, y cuando los procedimientos de tratamiento térmico sean compatibles.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: La diferencia de coste de los materiales entre el acero 30Cr y el 40Cr suele ser modesta; el 40Cr puede ser ligeramente más caro debido a su mayor contenido de carbono y, en ocasiones, a un tratamiento térmico más exigente. Las variaciones de coste son pequeñas en comparación con los gastos de procesamiento y tratamiento térmico.
• Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en barras, tochos, piezas forjadas y componentes mecanizados de proveedores en regiones donde se almacenan los grados GB/T. Las variantes especiales con elementos de microaleación pueden tener plazos de entrega.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Característica	30Cr	40Cr
soldabilidad	Mejor (menor equivalente de carbono)	De moderado a bajo (CE más alto)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Favorece la tenacidad y la ductilidad a resistencias moderadas.	Favorece una mayor resistencia y dureza; la tenacidad se reduce con la misma resistencia.
Costo (material)	Ligeramente inferior o comparable	Ligeramente superior o comparable

Orientación final: - Elige 30Cr si: - Se necesita mayor ductilidad y resistencia para los componentes propensos a impactos. - Usted planea cementar o endurecer superficialmente las piezas para obtener una superficie de desgaste dura con un núcleo dúctil. - La soldabilidad y los menores requisitos de precalentamiento/post-soldadura son importantes para la fabricación.

• Elige 40Cr si:
• Se requiere una mayor resistencia al endurecimiento total, resistencia al desgaste o mayor dureza revenida sin cementación.
• El diseño requiere una mayor resistencia estática o resistencia a la fatiga superficial en secciones más gruesas.
• Se pueden gestionar las precauciones de soldadura (precalentamiento, tratamiento térmico posterior a la soldadura donde sea necesario) y un control más estricto del tratamiento térmico.

Nota final: Para componentes críticos del diseño, confirme siempre los certificados de materiales del proveedor, solicite informes de ensayos de propiedades mecánicas para el tratamiento térmico y la sección específicos, y realice ensayos de soldabilidad y distorsión cuando sea posible. Utilice las fórmulas de equivalencia de carbono indicadas anteriormente para estimar las necesidades de tratamiento térmico previo y posterior a la soldadura según su composición química y diseño de junta específicos.