420 vs 440A – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros inoxidables martensíticos AISI 420 y AISI 440A se suelen considerar cuando se requiere un equilibrio entre resistencia a la corrosión, dureza y coste. Los ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción se enfrentan habitualmente a una disyuntiva: aceros con menor aleación, más fáciles de conformar y soldar, frente a aceros con mayor contenido de carbono y cromo, que ofrecen mayor templabilidad y retención de filo. Algunos ejemplos típicos son el diseño de cuchillos y hojas, componentes de válvulas y bombas, anillos de cojinetes y componentes que requieren resistencia al desgaste localizado.

La principal diferencia práctica entre ambos aceros inoxidables radica en el equilibrio entre la dureza/resistencia al desgaste alcanzable y la tenacidad/ductilidad en servicio: el 440A está formulado para lograr una mayor dureza y resistencia al desgaste tras el tratamiento térmico, mientras que el 420 ofrece una tenacidad relativamente mejor, un procesamiento más sencillo y una soldabilidad y conformabilidad superiores en muchos procesos de producción. Dado que ambos son aceros inoxidables martensíticos, se suelen comparar para aplicaciones de herramientas y cubertería de acero inoxidable de gama media.

1. Normas y designaciones

• 420: Comúnmente se le conoce como AISI 420 (UNS S42000) en las normas AISI/ASTM/UNS; existen grados equivalentes en las listas EN y JIS (a menudo bajo designaciones de acero inoxidable martensítico). Clasificado como acero inoxidable martensítico.
• 440A: Miembro de la familia 440 (AISI 440A, UNS S44001), también presente en diversas normas nacionales. Clasificado como acero inoxidable martensítico.

Resumen de la categoría: - 420: Acero inoxidable martensítico (acero inoxidable para herramientas/cuchillos). - 440A: Acero inoxidable martensítico (grado de herramienta/cuchillo de acero inoxidable con mayor contenido de carbono y cromo).

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente muestra los rangos de composición típicos para los grados comerciales 420 y 440A; los rangos varían según la norma y el proveedor. Los valores se expresan en porcentaje en peso.

Elemento	420 (rango típico, % en peso)	440A (rango típico, % en peso)
do	0,15 – 0,40	0,60 – 0,75
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	16.0 – 18.0
Ni	— (generalmente rastro)	— (generalmente rastro)
Mes	— (normalmente ninguna)	— (normalmente ninguna)
V	— (normalmente ninguna)	— (normalmente ninguna)
Nb / Ti / B / N	traza / no especificado	traza / no especificado

Cómo afecta la aleación al rendimiento: - Carbono: Factor determinante de la templabilidad y la dureza martensítica alcanzable. Un mayor contenido de carbono (440A) permite una mayor dureza tras el temple y una mejor retención del filo, pero a costa de la tenacidad y la soldabilidad. - Cromo: Proporciona resistencia a la corrosión y contribuye a la templabilidad mediante la formación de carburos. El mayor contenido de cromo del acero 440A le confiere un comportamiento pasivo ligeramente mejor en diversos entornos. - Mn, Si, oligoelementos: Influyen en la desoxidación, el comportamiento del grano y la templabilidad, pero son secundarios en comparación con el C y el Cr en estos grados.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - En estado recocido, ambos grados son en gran medida ferríticos/perlíticos dependiendo de la composición química y el procesamiento exactos, pero son más útiles cuando se transforman en martensita mediante tratamiento térmico. Tras el tratamiento térmico de solubilización y el temple, ambos tipos de acero forman martensita y carburos de cromo. El acero 440A produce carburos más abundantes y duros debido a su mayor contenido de carbono y cromo, lo que aumenta su resistencia al desgaste. - El revenido produce martensita revenida con una distribución de carburos y una respuesta al revenido que dependen del contenido de carbono.

Rutas y efectos del tratamiento térmico: - Recocido: Condición blanda y mecanizable para conformar y mecanizar (ferrita/perlita). Endurecimiento (austenización → temple → revenido): La temperatura de austenización y el medio de temple controlan la cantidad de austenita retenida, la disolución de carburos y la dureza final. El acero 440A, con su mayor contenido de carbono, alcanza una mayor dureza para un mismo ciclo de austenización/revenido, pero es más propenso a agrietarse debido a las tensiones del temple. - Normalización: Se utiliza para refinar el tamaño del grano antes del endurecimiento final; beneficioso para la tenacidad. - Procesamiento termomecánico: Se aplica con menos frecuencia que en los aceros estructurales, pero el forjado controlado y el enfriamiento controlado pueden mejorar las propiedades controlando el tamaño del grano y la dispersión de carburos.

Nota práctica: deben seleccionarse temperaturas de revenido precisas para equilibrar la dureza y la tenacidad; el acero 440A con mayor contenido de carbono requiere un revenido cuidadoso para evitar la fragilidad y al mismo tiempo preservar la dureza.

4. Propiedades mecánicas

La siguiente tabla ofrece comparaciones cualitativas con valores típicos. Los valores reales dependen en gran medida del tratamiento térmico y la forma del producto.

Propiedad	420 (típico)	440A (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	Moderado — depende del temperamento; normalmente inferior a 440A	Mayor: los máximos alcanzables superan los 420 cuando están completamente endurecidos.
Límite elástico (MPa)	Moderado	Mayor en condiciones de alta dureza
Elongación (%)	Mayor (mejor ductilidad en estado equivalente)	Menor (ductilidad reducida al endurecerse)
resistencia al impacto	Mayor retención de tenacidad con una dureza comparable.	Menor tenacidad con dureza comparable; más frágil cuando está completamente endurecido.
Dureza (HRC, templada)	Normalmente, hasta aproximadamente 48-52 HRC, dependiendo de la concentración y del proceso.	Normalmente más alta; se puede alcanzar una dureza Rockwell C de alrededor de 50 con un tratamiento térmico adecuado.

Interpretación: El acero 440A generalmente alcanza una mayor resistencia a la tracción y una mayor dureza máxima debido a su mayor contenido de carbono y cromo. Esto proporciona un mejor rendimiento en cuanto a resistencia al desgaste y retención de filo. - El acero 420 conserva una ductilidad y resistencia al impacto relativamente mejores a niveles de dureza moderados, lo que hace menos probable que falle catastróficamente bajo cargas de choque o flexión.

5. Soldabilidad

Las consideraciones sobre la soldabilidad de los aceros inoxidables martensíticos se centran en el contenido de carbono, la templabilidad y la microaleación.

Fórmulas predictivas importantes de uso común (interpretación cualitativa aquí): - Carbono equivalente (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (parámetro de soldabilidad): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - Un valor más alto de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ implica una mayor propensión a zonas afectadas por el calor duras y quebradizas y un mayor riesgo de agrietamiento después de la soldadura. El acero 420 tiene un menor contenido de carbono y un índice de templabilidad inferior al del 440A, por lo que generalmente es más fácil de soldar (con precalentamiento y revenido posterior a la soldadura, según sea necesario). El mayor contenido de carbono y cromo del 440A aumenta el riesgo de formación de martensita y agrietamiento en la zona afectada por el calor (ZAC), por lo que su soldadura requiere controles estrictos: precalentamiento, control de la temperatura entre pasadas, prácticas con bajo contenido de hidrógeno y revenido posterior a la soldadura para ablandar la martensita frágil. - Es importante utilizar metales de aporte compatibles; en muchos casos, se elige un metal de aporte con menor contenido de carbono o un metal de soldadura a base de níquel para reducir el riesgo de fisuras.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el acero inoxidable 420 como el 440A son inoxidables debido a su contenido de cromo, pero su resistencia a la corrosión es moderada en comparación con los aceros austeníticos (304/316). El 420 (12-14 % Cr) ofrece una resistencia aceptable en ambientes ligeramente corrosivos; el 440A (16-18 % Cr) suele ofrecer una mayor resistencia a la corrosión debido a su mayor contenido de cromo y a una película pasiva más estable en muchos ambientes acuosos.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se puede calcular para aleaciones de acero inoxidable que contienen Mo y N mediante la fórmula: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$. Para las aleaciones 420 y 440A, el Mo y el N suelen ser despreciables, por lo que el PREN tiene una utilidad limitada.
• Protección sin acero inoxidable: Cuando se requiere una mayor resistencia a la corrosión, los tratamientos superficiales (electrochapado, pintura, recubrimiento) y la protección catódica o galvanización son opciones para equivalentes sin acero inoxidable; pero para estos materiales martensíticos, el enfoque habitual es seleccionar un grado de acero inoxidable más resistente a la corrosión o aplicar recubrimientos protectores, ya que la galvanización sobre acero inoxidable martensítico es poco común para piezas de precisión.
• Nota práctica: el pulido y la pasivación afectan significativamente el rendimiento; el 440A con superficies bien pulidas y pasivación puede alcanzar una mejor resistencia a la corrosión localizada que el 420.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: En estado recocido, ambas calidades son mecanizables. La 420, con menor contenido de carbono y menor precipitación de carburos, generalmente es más fácil de mecanizar a dimensiones precisas en estado recocido. El mayor contenido de carbono y la tendencia a la formación de carburos de la 440A reducen su maquinabilidad, especialmente si se encuentra endurecida.
• Conformabilidad y doblado: Ambos aspectos están limitados en el conformado en frío en estado endurecido. En estado recocido, el acero 420 es más fácil de conformar. El acero 440A requiere parámetros de conformado más agresivos o debe suministrarse en estado recocido de solubilización, más blando, para su conformado.
• Rectificado y acabado: El acero 440A puede ser más abrasivo para las herramientas debido a las partículas de carburo más duras después del tratamiento térmico; ambos se pueden rectificar y pulir hasta obtener los acabados de alta calidad necesarios para la cubertería y los instrumentos quirúrgicos.
• Acabado superficial: Ambos materiales responden bien al pulido mecánico y al pulido electroquímico. Cabe destacar que la distribución del carburo influye en la calidad del pulido de los bordes.

8. Aplicaciones típicas

420 — Usos típicos	440A — Usos típicos
Cubiertos y cuchillos de cocina donde se requiere resistencia y durabilidad a un costo moderado	Cuchillos y hojas de cuchillo donde se prioriza una retención de filo superior y una mayor dureza.
Instrumentos quirúrgicos (ciertos tipos) y herramientas dentales donde la resistencia a la corrosión y la conformabilidad son importantes.	Cojinetes, componentes de válvulas y piezas de desgaste que requieren mayor dureza superficial.
Ejes, elementos de fijación y componentes de bombas en entornos moderadamente corrosivos	Componentes de desgaste pequeño y herrajes de alto desgaste donde se acepta el rectificado frecuente
Herrajes y accesorios decorativos	Cuchillería de precisión, cuchillas pequeñas, muelles de relojería (aplicaciones seleccionadas)

Justificación de la selección: - Elija el acero 420 cuando la tenacidad en servicio, la conformabilidad y la soldabilidad sean prioridades y cuando una resistencia a la corrosión moderada sea suficiente. - Elija 440A cuando una mayor dureza y retención de filo sean los principales factores de diseño y cuando un mayor contenido de cromo sea beneficioso para la resistencia a la corrosión localizada.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El acero 420 suele tener un menor contenido de aleación (menos cromo) y generalmente es más económico por kilogramo que el 440A. El mayor contenido de cromo y el control más estricto del carbono del 440A incrementan ligeramente su coste.
• Disponibilidad: Ambos aceros inoxidables están ampliamente disponibles en barras, placas, flejes y alambres de proveedores especializados. El acero 420 se suele utilizar en cubertería y herrajes, mientras que el 440A es un acero inoxidable estándar para cubertería y rodamientos, y también es de fácil acceso. Los plazos de entrega para productos específicos (flejes delgados pulidos con acabado para cubertería, barras de precisión o forjados especiales) pueden variar según el proveedor.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Característica	420	440A
Soldabilidad	Mejor (menor C, menor templabilidad)	Menor (temperatura más alta, a menudo se requiere precalentamiento/PWHT)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Mayor tenacidad con una dureza comparable; resistencia moderada.	Mayor dureza y resistencia máximas; menor tenacidad una vez endurecido.
Costo	Más bajo	Más alto
Resistencia a la corrosión	Moderado (12–14% Cr)	Mejor resistencia a la corrosión localizada (16–18% Cr)
Maquinabilidad (recocido)	Bien	De moderado a menor (debido a la formación de carburos)

Concluya con recomendaciones directas: - Elija 420 si necesita un acero inoxidable martensítico que sea más fácil de formar y soldar, que ofrezca un buen equilibrio entre tenacidad y resistencia a la corrosión a un menor costo, o cuando las piezas vayan a sufrir impactos o esfuerzos de flexión (por ejemplo: cubiertos de uso general, ejes de servicio moderado, sujetadores e instrumentos quirúrgicos donde no se requiere una dureza extrema en los bordes). - Elija 440A si su diseño prioriza una mayor dureza, retención de filo y resistencia al desgaste con una resistencia a la corrosión localizada mejorada (por ejemplo: cuchillos donde la vida útil del filo es crítica, componentes de rodamientos pequeños o piezas de desgaste), y puede aceptar la necesidad de controles de tratamiento térmico más estrictos, una tenacidad reducida y procedimientos de soldadura más controlados.

Orientación práctica final: Siempre especifique en los documentos de adquisición las condiciones de tratamiento térmico y la dureza requeridas. Evalúe todo el proceso de fabricación (conformado, soldadura, tratamiento térmico y acabado) antes de seleccionar la calidad. En caso de duda sobre las cargas de choque en servicio o los requisitos de soldadura, opte por la calidad con mayor ductilidad (420) o consulte con un metalúrgico para ajustar la composición química y el procesamiento a fin de cumplir con los requisitos existentes.