3Cr13 frente a 4Cr13: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros inoxidables martensíticos 3Cr13 y 4Cr13 se utilizan ampliamente en componentes donde se requiere un equilibrio entre resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste y resistencia mecánica (por ejemplo: cubertería, válvulas, ejes y piezas de bombas). Al elegir entre estos dos grados, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse a la disyuntiva entre resistencia mecánica/templabilidad y ductilidad/soldabilidad.

La principal diferencia técnica radica en el mayor contenido de carbono del 4Cr13 frente al 3Cr13, lo que incrementa la templabilidad, la dureza alcanzable y la resistencia, a costa de la ductilidad y la soldabilidad. Debido a que comparten un contenido de cromo similar, ambos ofrecen una resistencia básica a la corrosión comparable a la de los aceros inoxidables martensíticos, pero su procesamiento y propiedades finales difieren principalmente debido al carbono y a sutiles diferencias en la aleación.

1. Normas y designaciones

• Designación principal: Convención de nomenclatura nacional china (GB)—3Cr13 y 4Cr13.
• Clasificación: Aceros inoxidables martensíticos (inoxidables, templables, generalmente tratables térmicamente para formar martensita).
• Equivalencias familiares aproximadas: Estos grados pertenecen a la misma familia general que los aceros inoxidables martensíticos AISI/UNS (comúnmente comparados con la serie 410/420), pero no existe una correspondencia 1:1 garantizada entre las normas; consulte los documentos de normas específicas o los certificados de fábrica para obtener asignaciones exactas.
• Otras normas que se pueden consultar para materiales inoxidables martensíticos comparables son: ASTM/ASME (familia A240 para placas/láminas de acero inoxidable; números UNS específicos para barras), JIS (serie martensítica SUS) y EN (designaciones de acero inoxidable martensítico). Siempre verifique las tablas de composición y propiedades mecánicas en la norma correspondiente o en la ficha técnica del proveedor.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos típicos de composición química (en % peso). Estos son rangos representativos que se utilizan con frecuencia en las especificaciones; verifique siempre la composición exacta en los certificados de materiales.

Elemento	3Cr13 (rango típico)	4Cr13 (rango típico)
do	0,18 – 0,30	0,28 – 0,40
Minnesota	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
PAG	≤ 0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	12.0 – 14.0	12.0 – 14.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mes	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0,1 (a menudo no se especifica)	≤ 0.1
Nótese bien	—	—
Ti	—	—
B	—	—
norte	rastro	rastro

Notas: - El elemento de aleación deliberado dominante es el cromo (≈12–14%) para proporcionar un comportamiento básico inoxidable y soportar la matriz martensítica después del temple.
La principal diferencia deliberada radica en el carbono: el 4Cr13 se formula con un mayor contenido de carbono para aumentar su templabilidad y dureza. Los elementos minoritarios (Mn, Si) actúan principalmente como desoxidantes y su influencia en la templabilidad es mínima; el Mo y el V (si están presentes) mejoran ligeramente la templabilidad y la resistencia al revenido. El Ti, el Nb y el B generalmente no se encuentran en cantidades significativas en estas calidades.

Cómo afecta la aleación al comportamiento: - Carbono: aumenta la resistencia a la tracción, la dureza y la resistencia al desgaste al promover la formación de martensita y carburo; reduce la ductilidad y la soldabilidad.
- Cromo: proporciona resistencia a la corrosión (película pasiva) y aumenta la templabilidad; un nivel demasiado bajo de Cr reduce el rendimiento frente a la corrosión.
- Mo, V: cuando están presentes en pequeñas cantidades, aumentan la resistencia al revenido y la resistencia al desgaste.
- Mn/Si: influyen ligeramente en la desoxidación, la resistencia y la tenacidad.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Ambos grados están diseñados para ser tratados térmicamente hasta obtener una microestructura martensítica. Rutas y respuestas metalúrgicas típicas:

• En estado de suministro (recocido o normalizado): ferrítico/perlítico con algunos carburos según el contenido de carbono. El 3Cr13 suele tener una matriz más blanda con una distribución de carburos más fina que el 4Cr13 en el mismo estado de procesamiento.
• Temple y revenido: método estándar para desarrollar una estructura martensítica y el equilibrio deseado entre dureza y tenacidad.
• Austenizar (rango típico para aceros inoxidables martensíticos similares: 980–1050 °C) para disolver los carburos y formar austenita homogénea.
• El temple transforma la austenita en martensita. Un mayor contenido de carbono (4Cr13) produce una mayor proporción de martensita dura y carburos retenidos; el 4Cr13 suele alcanzar una mayor dureza con el mismo temple que el 3Cr13.
• El revenido se realiza a 150–650 °C según el equilibrio deseado entre dureza y tenacidad. El revenido reduce la dureza pero mejora la tenacidad; el 4Cr13 requiere un revenido más cuidadoso para mantener la resistencia a la fatiga y evitar una fragilidad excesiva.
• Normalización: puede refinar el tamaño del grano y reducir la segregación; seguida de un revenido según sea necesario.
• Procesamiento termomecánico: el trabajo en frío y el posterior revenido influirán en la densidad de dislocaciones y la resistencia final; el 4Cr13 es más sensible al endurecimiento por trabajo en frío debido a su mayor contenido de C.

Consecuencias microestructurales: - 3Cr13: martensita con menor contenido de carbono — dureza algo menor, mejor ductilidad y tenacidad cuando se templa de forma comparable. - 4Cr13: martensita con mayor contenido de carbono — mayor dureza y resistencia al desgaste, mayor riesgo de martensita frágil y red de carburos si se trata térmicamente de forma inadecuada.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Rangos típicos de propiedades mecánicas después de un proceso típico de temple y revenido (nota: los valores son ilustrativos; verifique con los datos del proveedor).

Propiedad	3Cr13 (típico)	4Cr13 (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	600 – 900	800 – 1100
Límite elástico (0,2% de deformación, MPa)	350 – 650	550 – 900
Alargamiento (%)	10 – 20	6 – 15
Resistencia al impacto (J, Charpy V-notch)	moderado (varía según el temperamento)	inferior (con la misma dureza)
Dureza (HRC, templada)	HRC 38 – 52	HRC 45 – 58

Interpretación: - El acero 4Cr13 puede alcanzar niveles de resistencia y dureza superiores a los del 3Cr13 debido a su mayor contenido de carbono y a su templabilidad ligeramente mayor.
- El 3Cr13 tiende a ser más resistente y más dúctil en condiciones de revenido equivalentes; el 4Cr13 sacrifica ductilidad y resistencia a cambio de mayor resistencia al desgaste y mayor resistencia estática.
- La tenacidad al impacto depende en gran medida del templado; para aplicaciones que requieren resistencia a golpes o impactos, un templado adecuado es fundamental y el 3Cr13 suele ofrecer un margen de tenacidad más amplio.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está influenciada principalmente por el carbono y la templabilidad. Un mayor contenido de carbono aumenta el riesgo de formación de martensita en la zona afectada por el calor (ZAC), incrementando la propensión al agrietamiento y requiriendo un tratamiento térmico previo/posterior a la soldadura (PWHT).

Fórmulas predictivas útiles (solo interpretación cualitativa): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (índice de soldabilidad): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Orientación cualitativa: - Debido a que el 4Cr13 tiene un C más alto, su $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ calculados serán típicamente más altos que los del 3Cr13, lo que indica una soldabilidad más deficiente y una mayor probabilidad de endurecimiento de la ZAT y agrietamiento en frío.
Buenas prácticas: controlar el precalentamiento, limitar la velocidad de enfriamiento entre pasadas, utilizar metales de aporte adecuados (con contenido de carbono igual o ligeramente inferior) y aplicar tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) donde sea necesario para templar la martensita de la zona afectada por el calor (ZAC). El acero 3Cr13 tolera mejor las prácticas de soldadura convencionales, pero aun así puede requerir precalentamiento en secciones más gruesas o en condiciones de restricción.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ambos grados son martensíticos inoxidables (≈12–14% Cr): forman una capa pasiva protectora y tienen mejor resistencia a la corrosión que los aceros al carbono simples, pero son inferiores a los grados austeníticos (304/316) y dúplex en medios agresivos.
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) generalmente no es útil para estos aceros inoxidables martensíticos con bajo contenido de Mo y N. Para mayor información: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Dado que el Mo y el N suelen estar cerca de cero en estos grados, los valores de PREN son bajos en comparación con las aleaciones dúplex o austeníticas; por lo tanto, estos grados son adecuados para entornos ligeramente corrosivos (atmosféricos, ligeramente ácidos/alcalinos, con exposición limitada a cloruros) pero no para medios con alto contenido de cloruros sin recubrimientos ni protección catódica.
• No se aplica protección superficial a materiales comparables que no sean de acero inoxidable; para estas martensíticas inoxidables, las medidas de protección comunes incluyen la pasivación después de la fabricación, el electrochapado, el pulido controlado y los recubrimientos protectores en servicio (pinturas orgánicas, recubrimientos de sacrificio) cuando el riesgo de corrosión por cloruros o picaduras es significativo.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: El 4Cr13 con mayor contenido de carbono tiende a ser más duro en estado recocido y provoca un mayor desgaste de la herramienta; sin embargo, en estado recocido, ambos grados se mecanizan razonablemente bien con las herramientas y velocidades adecuadas. El 4Cr13 endurecido será más difícil de mecanizar si no se ablanda.
• Conformabilidad: El 3Cr13 ofrece mejor conformado en frío y capacidad de doblado que el 4Cr13 debido a su menor contenido de carbono; el embutido profundo o el conformado severo están limitados para ambos en comparación con los aceros inoxidables austeníticos.
• Rectificado, pulido y acabado superficial: La mayor dureza del 4Cr13 proporciona una mejor resistencia al desgaste en servicio, pero puede requerir operaciones de acabado más agresivas. Se recomienda el tratamiento térmico y el revenido antes del mecanizado/acabado final para evitar deformaciones.
• Deformación por tratamiento térmico: Ambos grados son propensos a la deformación durante las operaciones de temple y revenido; se requiere una sujeción cuidadosa, un enfriamiento gradual y tolerancias de mecanizado adecuadas.

8. Aplicaciones típicas

3Cr13 – Usos típicos	4Cr13 – Usos típicos
Hojas de cuchillo y cubertería donde se necesita un equilibrio entre resistencia y resistencia a la corrosión	Herramientas de corte y cuchillos donde se requiere mayor retención de filo y resistencia al desgaste
Ejes de bombas, componentes de válvulas con demandas de desgaste moderadas	Componentes propensos al desgaste, rodillos, pasadores y piezas que requieren mayor dureza
Molduras, sujetadores y accesorios para automóviles que requieren cierto grado de doblado o conformado.	Componentes de cojinetes de pequeño volumen, pasadores de desgaste y ejes endurecidos
Piezas de acero inoxidable martensítico de uso general donde la soldabilidad/reparabilidad es un factor	Piezas donde el endurecimiento integral y una mayor resistencia estática son requisitos primordiales.

Justificación de la selección: Elija 4Cr13 cuando la retención de filo, una mayor dureza y resistencia al desgaste sean primordiales; elija 3Cr13 cuando sean importantes la ductilidad, la resistencia al impacto y una fabricación/soldadura más sencilla. Las consideraciones de coste y los requisitos de acabado superficial también influyen en la decisión.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El 4Cr13 suele tener un precio ligeramente superior al del 3Cr13 debido a su mayor contenido de carbono y al procesamiento necesario para lograr y controlar propiedades de dureza superiores; sin embargo, las diferencias de precio son modestas en comparación con grados de aleación superiores (por ejemplo, martensíticos o austeníticos con contenido de Mo).
• Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en regiones con cadenas de suministro de acero inoxidable consolidadas (láminas, barras, flejes, piezas en bruto). La forma del producto (barras, placas, flejes) y el acabado (laminado en frío, recocido, templado) influirán en los plazos de entrega y el coste. Para compras de gran volumen, verifique los certificados de fábrica y realice pruebas de lote para determinar el contenido de carbono y garantizar así las propiedades mecánicas previstas.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Resumen comparativo rápido

Atributo	3Cr13	4Cr13
Soldabilidad	Mejor (menor huella de carbono)	Menor (mayor contenido de carbono, mayor riesgo en la zona de riesgo de contaminación)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Resistencia moderada con mayor tenacidad	Mayor resistencia y dureza, menor tenacidad
Costo	Ligeramente más bajo	Un poco más alto

Conclusión y recomendación práctica: - Elija 3Cr13 si necesita un acero inoxidable martensítico equilibrado con mejor ductilidad y soldabilidad, conformabilidad más fácil y un costo ligeramente menor; apropiado para componentes que requieren cierta resistencia al impacto, reparabilidad o resistencia al desgaste moderada. - Elija 4Cr13 si el diseño prioriza una mayor dureza, resistencia al desgaste y resistencia estática donde la retención de bordes o el desgaste abrasivo son críticos y donde se acepta un control más estricto del tratamiento térmico; espere una mayor atención a los procedimientos de soldadura, el precalentamiento y el revenido para evitar la fragilidad.

Nota final: La selección exacta debe validarse con los certificados de fábrica del proveedor, la geometría del componente, las condiciones de sujeción durante la soldadura y el entorno de servicio específico (medios corrosivos, temperatura, carga cíclica). Para aplicaciones críticas, solicite informes de ensayos de materiales (composición, dureza, datos de tracción e impacto) y realice ensayos de calificación (ensayos de soldadura, ensayos de tratamiento térmico) antes de la producción en serie.