420 vs 431 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción se enfrentan con frecuencia a la decisión entre los aceros inoxidables martensíticos AISI 420 y AISI 431 al especificar piezas que requieren un equilibrio entre resistencia, dureza, resistencia a la corrosión y costo. El dilema de la selección suele centrarse en compensaciones como la máxima dureza y resistencia al desgaste alcanzables frente a la tenacidad y la resistencia a la corrosión en entornos agresivos, junto con consideraciones sobre la soldabilidad y los costos de postprocesamiento.

La diferencia fundamental entre estos dos grados radica en su estrategia de aleación: el 420 se basa principalmente en un mayor contenido de carbono con un contenido moderado de cromo para lograr dureza y resistencia al desgaste, mientras que el 431 incorpora una cantidad significativa de níquel y un mayor contenido de cromo para mejorar la resistencia, la tenacidad y la resistencia a la corrosión, manteniendo la templabilidad martensítica. Dado que ambos son aceros inoxidables martensíticos utilizados en familias de componentes similares (ejes, elementos de fijación, válvulas, álabes), los ingenieros los comparan habitualmente al especificar piezas que deben ser endurecidas y, a la vez, resistentes a la corrosión.

1. Normas y designaciones

• AISI/ASTM/UNS:
• 420: AISI 420 / UNS S42000 (a menudo se hace referencia a él en ASTM A666 para chapa/tira; ASTM A276 para barras)
• 431: AISI 431 / UNS S43100 (presente en ASTM A582 para barras, ASTM A276 para barras/varillas)
• EN / Equivalentes EN:
• 420: EN 1.4021 / X46Cr13 (familia similar)
• 431: EN 1.4057 / X90CrNi18-? (las referencias cruzadas exactas varían según la norma)
• JIS / GB: existen designaciones regionales para grados de acero inoxidable martensítico con composiciones químicas similares.
• Clasificación:
• Tanto el 420 como el 431 son aceros inoxidables martensíticos. No se clasifican como aceros al carbono, aceros para herramientas ni HSLA; son aceros inoxidables aleados diseñados para endurecerse mediante temple y revenido.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: composición típica (en % peso) — los rangos mostrados son representativos de las especificaciones comunes; consulte las especificaciones de compra para conocer los límites exactos.

Elemento	420 (peso típico)	431 (peso típico %)
do	0,15 – 0,40	0,15 – 0,25
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	15.0 – 17.0
Ni	≤ 1.0 (a menudo muy bajo)	1.5 – 3.0
Mes	rastro/ninguno	típicamente ninguno
V	rastro	rastro
Nótese bien	—	—
Ti	—	—
B	—	—
norte	rastro	rastro

Notas: Los valores mostrados son indicativos; muchas especificaciones tienen límites más estrictos. El grado 420 es un acero martensítico con alto contenido de carbono y cromo moderado; el grado 431 es un acero martensítico con níquel, mayor contenido de cromo y carbono controlado para lograr una mejor combinación de tenacidad y resistencia a la corrosión. El níquel en el acero 431 aumenta la resistencia a la tracción y la tenacidad, y mejora la resistencia a la fractura frágil durante el tratamiento térmico y el servicio. El contenido de cromo controla la formación de la película pasiva y la resistencia a la corrosión; el mayor contenido de cromo en el acero 431 mejora el comportamiento general frente a la corrosión en comparación con el acero 420.

Cómo afecta la aleación al comportamiento: - Carbono: templabilidad primaria y dureza de la martensita; un mayor contenido de carbono proporciona una mayor dureza máxima, pero reduce la tenacidad y la soldabilidad. - Cromo: pasivación y templabilidad; un mayor contenido de Cr generalmente mejora la resistencia a la corrosión y la resistencia al revenido. - Níquel: estabiliza la matriz martensítica para lograr tenacidad, reduce la susceptibilidad a la fragilización por revenido y mejora el equilibrio resistencia-tenacidad. - Los elementos minoritarios (Mn, Si, P, S, V) influyen en la desoxidación, la maquinabilidad y el comportamiento de las inclusiones; el azufre aumenta la maquinabilidad pero puede perjudicar la fatiga por corrosión.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: Ambos grados forman predominantemente martensita tras la austenización y el temple. En estado recocido, pueden contener ferrita y perlita o martensita revenida, dependiendo del proceso y la composición de la aleación. - 420: tras el temple y revenido, la microestructura es martensítica con precipitados de carburo (carburos de cromo). Un mayor contenido de carbono retenido conlleva una mayor dureza, pero también una mayor cantidad de carburos que pueden actuar como puntos de inicio de grietas si no se realiza un revenido adecuado. - 431: forma martensita con una distribución más fina de carburos y algo de austenita retenida dependiendo de la austenización/enfriamiento; el níquel promueve una matriz martensítica más dúctil y tenaz.

Respuesta al tratamiento térmico: - Normalización: refina el tamaño del grano y homogeneiza la microestructura; preacondicionamiento útil antes del temple y revenido final. Temple y revenido: ambas calidades responden bien. La 420 alcanza una alta dureza (puede superar los 50 HRC en muchos tratamientos térmicos), pero con menor tenacidad a niveles de dureza más altos. La 431, con níquel y mayor contenido de cromo, logra una mejor relación tenacidad/resistencia tras el temple y revenido, y presenta mayor resistencia al ablandamiento por revenido. - Procesamiento termomecánico: los beneficios se obtienen principalmente en productos de barras/ejes donde el laminado controlado antes del temple mejora la estructura del grano; ambos aceros se pueden producir con mayor tenacidad a través del procesamiento controlado, y el 431 generalmente obtiene más beneficios debido a su equilibrio de aleación.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: propiedades mecánicas típicas (rangos representativos; dependen del tratamiento térmico y del tamaño de la sección)

Propiedad (típica)	420 (Q&T/templado)	431 (Q&T/templado)
Resistencia a la tracción (MPa)	600 – 1200	700 – 1300
Límite elástico (0,2% Rp0,2, MPa)	450 – 1000	600 – 1100
Elongación (%)	8 – 20	8 – 18
Resistencia al impacto (Charpy J)	de bajo a moderado (depende del temperamento)	De moderado a alto (mejor que 420 con una dureza similar)
Dureza (HRC)	Recocido a ~20 °C; revenido térmico hasta ~55 °C+	Recocido a ~20–30 °C; revenido térmico hasta ~50–55 °C

Interpretación: - El acero 431 generalmente ofrece mayor límite elástico y mejor tenacidad al impacto con niveles de resistencia a la tracción comparables debido al Ni y al mayor contenido de Cr. Para la misma dureza objetivo, el 431 suele presentar menor fragilidad y mejor comportamiento a la fatiga. - El acero 420 logra una alta dureza y resistencia al desgaste con una química relativamente simple y a menudo se elige cuando se requiere la máxima retención de filo o resistencia al desgaste y la tenacidad/corrosión son secundarias.

5. Soldabilidad

Las consideraciones sobre la soldabilidad se centran en el equivalente de carbono y la presencia de elementos de aleación que aumentan la templabilidad y el riesgo de fisuración martensítica en frío.

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

Interpretación cualitativa: Un mayor contenido de carbono y una mayor relación Cr/Mo/V aumentan $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$, incrementando el riesgo de formación de martensita en la zona afectada por el calor (ZAC) y de fisuración en frío. El mayor contenido de carbono del acero 420 tiende a hacerlo más susceptible al endurecimiento y fisuración en la ZAC sin tratamiento térmico previo o posterior a la soldadura. - El contenido de níquel del 431 reduce la severidad de la dureza de la martensita en la zona afectada por el calor de la soldadura y mejora la ductilidad; por lo tanto, el 431 generalmente exhibe una mejor soldabilidad por arco que el 420 en espesores de sección y procesos de soldadura similares. - Recomendaciones prácticas: ambos grados suelen requerir precalentamiento y temperaturas controladas entre pasadas para una soldadura fiable. Se aconseja el revenido posterior a la soldadura (PWHT) para componentes críticos con el fin de aliviar las tensiones residuales y reducir la dureza de la zona afectada por el calor (ZAC).

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el 420 como el 431 son aceros inoxidables martensíticos y no son tan resistentes a la corrosión como los grados austeníticos (por ejemplo, 304/316). Su resistencia a la corrosión depende de su contenido de cromo para la formación de la película pasiva.
• El uso del PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Corrosión por Picaduras) es menos común en los aceros martensíticos, pero la fórmula es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice enfatiza el Mo y el N para la resistencia a la corrosión por picaduras; dado que ni el 420 ni el 431 contienen cantidades significativas de Mo o N, el PREN tiene una aplicabilidad limitada.
• Comportamiento práctico ante la corrosión:
• 420: resistencia moderada a la corrosión en ambientes suaves; susceptible a la corrosión por picaduras y grietas en cloruros y a la corrosión general si no se termina o protege adecuadamente.
• 431: resistencia a la corrosión general mejorada con respecto al 420 debido a un mayor contenido de cromo y níquel; ampliamente utilizado en aplicaciones de agua de mar y petroquímicas donde se requiere una mejor resistencia al estrés por cloruros y a la fatiga por corrosión.
• Protecciones superficiales no inoxidables (para cualquiera de los grados cuando se necesita protección adicional): el galvanizado es posible para algunas formas, pero puede ser limitado para piezas de alta dureza; la pintura, los recubrimientos de conversión, el electrochapado o los tratamientos de pasivación se aplican comúnmente según el servicio.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• 420: buena maquinabilidad en estado recocido; la alta dureza tras el tratamiento térmico reduce la maquinabilidad y la vida útil de la herramienta. Pueden existir variantes sulfuradas o subgrados de fácil mecanizado.
• 431: Maquinabilidad moderada; una matriz más tenaz puede aumentar las fuerzas de la herramienta, pero produce un buen acabado superficial cuando se controla. El mecanizado suele realizarse en estado recocido o con alivio de tensiones antes del endurecimiento.
• Conformado y doblado:
• Ambos materiales son conformables en estado recocido; la recuperación elástica y el endurecimiento por deformación requieren control del proceso. Es posible realizar embutición profunda en secciones delgadas en estado recocido.
• Rectificado y acabado:
• El acero 420 en estado endurecido se utiliza a menudo para cuchillas y piezas de desgaste; el rectificado y el pulido son operaciones de acabado estándar.
• El acero 431 tiene un buen acabado y se puede pulir hasta obtener una superficie brillante; su mayor tenacidad reduce el agrietamiento durante el rectificado y el acabado agresivo.

8. Aplicaciones típicas

420 – Usos típicos	431 – Usos típicos
Cubiertos y cuchillos (hojas donde la retención del filo es primordial)	Elementos de fijación aeroespaciales y de alta resistencia (pernos, espárragos)
Instrumentos quirúrgicos y herramientas dentales (a menudo endurecidas).	Ejes de bombas y componentes de válvulas en la industria petroquímica y marítima.
Jaulas de rodamientos, bujes, piezas de desgaste pequeñas	Ejes, acoplamientos y barras de torsión que requieren resistencia y protección combinadas contra la corrosión.
Molduras decorativas y herrajes donde se acepte una resistencia moderada a la corrosión	Componentes expuestos a corrosión bajo altas tensiones (pernos marinos, pistones hidráulicos)

Justificación de la selección: - Elija 420 para aplicaciones que prioricen la resistencia al desgaste, la retención de filos, un tratamiento térmico simple y un menor costo del material cuando la corrosión en servicio sea limitada. - Elija 431 para componentes que deben combinar alta resistencia, tenacidad y resistencia mejorada a la corrosión (particularmente en entornos con cloruros o cargas dinámicas) donde el costo incremental del material está justificado.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero 420 suele ser más económico que el 431 porque contiene poco o nada de níquel; el níquel es uno de los elementos de aleación más costosos. El mayor contenido de níquel y cromo del acero 431 conlleva un mayor coste de materia prima.
• Disponibilidad: ambos son grados industriales comunes y están ampliamente disponibles en barras, varillas, planos y sujetadores. Los tamaños especiales o los acabados superficiales pueden tener plazos de entrega más largos, y el 431 puede estar ligeramente menos disponible que el 420 en los mercados de materias primas.

10. Resumen y recomendación

Tabla que resume las principales ventajas e inconvenientes:

Característica	420	431
Soldabilidad	Moderado-difícil (alta concentración de C)	Mejor (el níquel mejora la tenacidad)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta dureza, menor tenacidad con la misma dureza.	Mayor resistencia con una fuerza comparable
Resistencia a la corrosión	Moderado	Mejor (mayor contenido de Cr + Ni)
Costo	Más bajo	Más alto

Elige 420 si: - El requisito principal es una alta dureza y resistencia al desgaste o retención de filo a un coste bajo o moderado. - El componente funciona en un entorno relativamente benigno o recibirá recubrimientos protectores. Las prácticas de mecanizado, acabado y endurecimiento están bien controladas y las soldaduras son mínimas.

Elige 431 si: - La aplicación exige una mayor relación resistencia-tenacidad, una resistencia a la corrosión mejorada (especialmente en ambientes clorados) y una mejor resistencia a la fragilización por revenido y a la fatiga. La soldabilidad y la resistencia al impacto son importantes, y el presupuesto del proyecto puede asumir un mayor coste de materiales. La pieza estará sometida a cargas dinámicas, exposición al agua de mar o requisitos de mayor tenacidad a la fractura.

Nota final: Verifique siempre los límites químicos y mecánicos exactos en su especificación de compra y seleccione las prácticas de tratamiento térmico (temperatura de austenización, medio de enfriamiento, ciclo de revenido y cualquier tratamiento térmico posterior a la soldadura) para que coincidan con los requisitos de diseño de dureza, tenacidad y resistencia a la corrosión.