420 vs 430 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los ingenieros y los equipos de compras a menudo se enfrentan a la disyuntiva entre templabilidad/resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión al seleccionar aceros inoxidables para componentes como sujetadores, álabes, piezas de válvulas y paneles de electrodomésticos. La elección entre el grado 420 y el grado 430 generalmente se centra en si la pieza requiere una dureza tratable térmicamente (y, por lo tanto, mayor resistencia/resistencia al desgaste) o una mayor resistencia general a la corrosión con buena conformabilidad a un menor costo.
La distinción práctica fundamental radica en que una aleación está formulada para ser tratada térmicamente hasta alcanzar alta dureza y resistencia (mediante transformación martensítica por temple), mientras que la otra es una aleación ferrítica que, en esencia, no se endurece con los tratamientos de temple estándar y ofrece una mejor resistencia general a la corrosión y una mayor conformabilidad. Esta diferencia determina la mayoría de las decisiones posteriores en el diseño, la fabricación y el abastecimiento.
1. Normas y designaciones
Ambos grados se especifican habitualmente en las normas internacionales de acero inoxidable. Algunas normas y designaciones típicas que encontrará son:
- ASTM / ASME: cobertura común en las especificaciones de barras, láminas y sujetadores de acero inoxidable (por ejemplo, familias A276/A240; consulte cada especificación para obtener la lista de grados).
- EN (Europeo): descriptores comúnmente citados para aceros inoxidables ferríticos y martensíticos.
- JIS (Normas Industriales Japonesas): La nomenclatura SUS420, SUS430 es común en materiales de origen japonés.
- GB (normas chinas): existen equivalentes locales y nombres de grados disponibles para ambos tipos de acero inoxidable.
Clasificación: - 420: acero inoxidable martensítico (acero inoxidable tratable térmicamente). - 430: acero inoxidable ferrítico (no endurecible, acero inoxidable ferrítico al cromo).
2. Composición química y estrategia de aleación
A continuación se presenta una breve comparación de los rangos de composición típicos utilizados para diferenciar los dos grados. Los límites reales dependen de la norma o variante de producto específica; consulte siempre el certificado de fábrica.
| Elemento | Rango típico: 420 (en peso) | Rango típico: 430 (en peso) |
|---|---|---|
| do | 0,15 – 0,40 | ≤ 0,12 |
| Minnesota | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| PAG | ≤ 0,04 | ≤ 0,04 |
| S | ≤ 0,03 – 0,04 | ≤ 0,03 |
| Cr | 12.0 – 14.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | ≤ 1.00 | ≤ 0,75 |
| Mes | Normalmente ninguno | Normalmente ninguno |
| V, Nb, Ti, B, N | Trazas/bajo, dependiente de la aleación | Trazas/bajo, dependiente de la aleación |
Cómo afecta la aleación al comportamiento: - Carbono: el mayor contenido de carbono en el acero 420 permite el endurecimiento martensítico y una alta dureza después del temple y revenido; aumenta la resistencia pero reduce la resistencia a la corrosión y la soldabilidad. - Cromo: El 430 tiene un mayor contenido de cromo, lo que mejora la estabilidad de la película pasiva y la resistencia general a la corrosión en comparación con el 420 en muchos entornos. - Bajo contenido de níquel: ambos grados tienen bajo contenido de níquel (en particular el 430), lo que los hace rentables en comparación con los aceros inoxidables austeníticos, pero limita la tenacidad a bajas temperaturas y la resistencia a la corrosión en comparación con los grados que contienen níquel. - Otros elementos: el bajo contenido de Mo y la ausencia de nitrógeno en las calidades estándar significan que ninguna de las dos aleaciones está optimizada para entornos agresivos de corrosión por picaduras.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
- 420: En estado recocido, el acero 420 contiene típicamente ferrita y carburos. Al enfriarse rápidamente desde la temperatura de austenización, se transforma en martensita, lo que permite un aumento considerable de la dureza y la resistencia a la tracción. El revenido posterior al enfriamiento reduce la fragilidad y ajusta la tenacidad. Procesos típicos: recocido (estado blando) para mecanizado, endurecimiento (austenización, enfriamiento rápido) y revenido hasta alcanzar la dureza y resistencia al desgaste requeridas.
- 430: Presenta una microestructura predominantemente ferrítica (cúbica centrada en el cuerpo) a temperatura ambiente y durante ciclos térmicos prácticos; es prácticamente intransferible a martensita mediante temple convencional. El recocido de solubilización y el alivio de tensiones se utilizan para ablandar el material y refinar el grano, pero los aceros ferríticos no adquieren templabilidad mediante temple y revenido. La exposición excesiva a altas temperaturas puede provocar un engrosamiento del grano, reduciendo la tenacidad y el comportamiento de la soldadura.
Efectos del procesamiento: - Normalización/recocido: ambos se pueden recocer para aliviar la tensión; el 420 a menudo se recoce antes del mecanizado. - Temple y revenido: efectivo para el acero 420 para lograr una alta dureza/resistencia al desgaste; no efectivo para el acero 430. - Rutas termomecánicas: el trabajo en frío aumenta la resistencia en ambos grados (endurecimiento por deformación), pero se utiliza más comúnmente para adaptar las propiedades en el acero ferrítico 430 donde no está disponible el endurecimiento por calor.
4. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas varían según la forma del producto (lámina, barra, alambre) y el tratamiento térmico. En lugar de valores únicos, la tabla siguiente compara el comportamiento esperado y las expectativas típicas en función de las condiciones.
| Propiedad | 420 (martensítico, tratable térmicamente) | 430 (ferrítico, no endurecible) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Puede incrementarse sustancialmente mediante temple y revenido; moderado en estado recocido. | Moderado y relativamente estable en todos los tratamientos térmicos; aumento limitado tras el tratamiento térmico. |
| Resistencia a la fluencia | Aumenta con el revenido/dureza; superior a 430 en estado endurecido. | Límite elástico moderado; aumenta principalmente por deformación en frío |
| Alargamiento / Ductilidad | Menor en estado endurecido; mejor ductilidad en estado recocido | En general, presenta mejor ductilidad/conformabilidad que el acero 420 endurecido. |
| Dureza al impacto | Puede ser bajo si el enfriamiento es excesivo o el revenido insuficiente. | Conserva mejor la tenacidad a temperatura ambiente que el acero 420 altamente endurecido. |
| Dureza | Tras el temple y revenido, puede alcanzar una alta dureza (adecuada para cuchillos y piezas de desgaste). | Dureza moderada en estado recocido o trabajado en frío; no apto para piezas de desgaste de alta dureza. |
Nota: Los valores numéricos específicos dependen de la variante exacta de la aleación y del tratamiento térmico. Consulte las fichas técnicas del fabricante y realice pruebas de aceptación cuando los criterios de resistencia o tenacidad sean críticos.
5. Soldabilidad
La soldabilidad está determinada principalmente por el equivalente de carbono, los elementos de aleación y la respuesta microestructural a los ciclos térmicos. Dos índices comunes utilizados para evaluar el riesgo de endurecimiento o agrietamiento son:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
y
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación (cualitativa): - 420: El mayor contenido de carbono incrementa $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ en comparación con el 430, por lo que a menudo se requiere precalentamiento, control de la temperatura entre pasadas y revenido posterior a la soldadura para evitar el agrietamiento en frío inducido por hidrógeno y reducir las tensiones residuales. La elección del metal de aporte debe equilibrar la corrosión y las propiedades mecánicas; en ocasiones se utilizan alambres de aporte austeníticos para reducir el riesgo de agrietamiento, a costa de un menor rendimiento frente a la corrosión localizada y una posible incompatibilidad mecánica. - 430: Su menor contenido de carbono proporciona una mejor soldabilidad intrínseca que el 420. Sin embargo, los aceros inoxidables ferríticos pueden ser sensibles al crecimiento del grano en la zona afectada por el calor, lo que puede reducir la tenacidad, y a la fragilización si se exponen a ciertos ciclos térmicos. Lo habitual es utilizar materiales de aporte ferríticos o austeníticos compatibles, según los requisitos de servicio y corrosión.
Orientación práctica: calificar los procedimientos de soldadura con el precalentamiento/postcalentamiento y la selección de material de aporte pertinentes; realizar el control de hidrógeno y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) cuando sea necesario para las soldaduras martensíticas 420.
6. Corrosión y protección de superficies
- Para piezas utilizadas en atmósferas ligeramente corrosivas, el mayor contenido de cromo del 430 generalmente proporciona una mejor resistencia a la corrosión uniforme que el 420. Sin embargo, ninguno de los dos grados es tan resistente a la corrosión como los grados austeníticos comunes (por ejemplo, 304/316).
- Para entornos propensos a la corrosión por picaduras o grietas, ni el acero 420 ni el 430 son ideales, ya que ambos suelen carecer de un contenido significativo de Mo y N para mejorar la resistencia a la corrosión local. El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) se utiliza a menudo para comparar la resistencia a la corrosión por picaduras.
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Interpretación del PREN: dado que el Mo y el N son insignificantes en los aceros inoxidables estándar 420/430, el PREN estará determinado casi exclusivamente por el Cr y se mantendrá bajo en comparación con los aceros inoxidables que contienen Mo. Por lo tanto, la utilidad del PREN para estos grados es limitada, salvo para destacar su baja resistencia a la corrosión por picaduras. En el caso de aceros no inoxidables, ambos grados pueden someterse a tratamientos superficiales (pasivación, electrodeposición, pintura) para mejorar su apariencia o su resistencia a la corrosión localizada. Para los aceros no inoxidables, suelen utilizarse la galvanización o los recubrimientos poliméricos; para estos aceros inoxidables, son habituales la limpieza y la pasivación (con ácido nítrico o cítrico).
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: El acero 420 (recocido) se mecaniza razonablemente bien; en estado endurecido, la maquinabilidad se deteriora. Las variantes de 420 con azufre pueden optimizarse para un mecanizado de fácil mecanizado. El acero 430 generalmente presenta buenas características de mecanizado en estado recocido, aunque los ferríticos pueden endurecerse por deformación.
- Conformabilidad: El acero 430 suele ser superior para el conformado y el embutido profundo (paneles de electrodomésticos, molduras) porque conserva su ductilidad y no requiere tratamiento térmico posterior al conformado. El acero 420 debe recocerse antes de un conformado significativo, y el endurecimiento final puede deformar las piezas.
- Acabado superficial: El acero 420 permite un pulido de alto brillo y se suele especificar para aplicaciones de cuchillería y hojas debido a su capacidad de endurecimiento y pulido. El acero 430 se utiliza donde son comunes los acabados decorativos y las superficies cepilladas.
- Tratamientos térmicos y control dimensional: el temple del acero 420 puede introducir distorsiones; los diseñadores deben tener en cuenta el mecanizado o la estabilización posteriores al endurecimiento.
8. Aplicaciones típicas
| 420 — Usos típicos | 430 — Usos típicos |
|---|---|
| Cubiertos, cuchillos, instrumental quirúrgico (donde se requiere dureza y retención del filo) | Molduras decorativas, paneles de electrodomésticos, interiores de hornos, lámina arquitectónica |
| Componentes de válvulas, ejes y piezas de bombas que requieren dureza y resistencia al desgaste. | Molduras para automóviles, herrajes decorativos, canales de drenaje |
| Piezas de cojinetes y elementos de desgaste en ambientes ligeramente corrosivos (cuando están endurecidos). | Intercambiadores de calor y piezas de chapa fabricadas en atmósferas ligeramente corrosivas |
| Herramientas y matrices donde la resistencia a la corrosión es secundaria al rendimiento del filo/desgaste | Alternativas de acero inoxidable de bajo coste para componentes visibles y moldeables |
Justificación de la selección: - Elija la opción martensítica tratable térmicamente cuando la estabilidad dimensional después del endurecimiento, la resistencia al desgaste y la retención de filo sean prioridades y la exposición a la corrosión sea limitada o pueda mitigarse. - Elija la opción ferrítica cuando la conformabilidad, la apariencia de la superficie, la resistencia general a la corrosión y el costo sean las principales preocupaciones.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El acero 430 suele ser más económico que el 420 en láminas y bobinas debido a su composición y a su uso en electrodomésticos y aplicaciones arquitectónicas. El acero 420 puede resultar más caro cuando se suministra en barras endurecidas o productos rectificados con precisión, debido a los tratamientos térmicos y acabados adicionales.
- Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en todo el mundo en forma de láminas, placas, barras y alambre. Los productos con presentaciones especiales (barras templadas o revenidas, rectificadas con precisión o con acabados superficiales específicos) pueden tener plazos de entrega más largos para el grado 420.
10. Resumen y recomendación
| Criterio | 420 | 430 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Regular a malo sin controles (C alto) | De buena a regular (C bajo; vigilar el crecimiento del grano HAZ) |
| Resistencia-Tenacidad | Alta resistencia alcanzable; compromisos en la tenacidad si se endurece en exceso | Resistencia moderada; mejor ductilidad y tenacidad en estado recocido. |
| Costo | De moderado a alto (tratamientos térmicos especiales) | Generalmente más bajo (ferrítico de materia prima) |
Conclusión: - Elija 420 si necesita componentes que puedan someterse a tratamiento térmico para lograr una alta dureza y resistencia al desgaste (por ejemplo, cuchillas, piezas de desgaste, ejes endurecidos), y puede aceptar tratamiento térmico previo/posterior a la soldadura, procedimientos de soldadura cuidadosos y menor resistencia a la corrosión. - Elija el acero inoxidable 430 si necesita un material inoxidable económico con buena conformabilidad, resistencia a la corrosión general decente para entornos moderados (electrodomésticos, molduras arquitectónicas) y fabricación más sencilla sin necesidad de procesos de temple y revenido.
Siempre valide la selección final del material conforme a los requisitos específicos de la aplicación (cargas mecánicas, entorno, facilidad de fabricación y aprobaciones reglamentarias) y revise los certificados de fábrica y las calificaciones del proceso antes de la adquisición.