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

Introducción

Los aceros inoxidables martensíticos 420 y 440C son dos materiales de uso común y figuran frecuentemente en las listas de compras para piezas que requieren un equilibrio entre dureza, resistencia al desgaste y comportamiento ante la corrosión. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen enfrentarse a la disyuntiva entre coste, maquinabilidad y la dureza/resistencia al desgaste necesarias para una pieza: la elección correcta depende de las cargas de servicio, el acabado superficial y el entorno corrosivo previsto.

La principal diferencia práctica entre estos grados radica en su estrategia de aleación: uno es un acero inoxidable martensítico con bajo contenido de carbono y cromo moderado, que le confiere resistencia a la corrosión y una tenacidad aceptable; el otro es un acero inoxidable martensítico con alto contenido de carbono y cromo, diseñado para formar una cantidad significativa de carburos de cromo duros, lo que proporciona una resistencia al desgaste superior y una mayor dureza. Esta diferencia determina su comportamiento divergente ante el tratamiento térmico, sus propiedades mecánicas, su soldabilidad y sus aplicaciones.

1. Normas y designaciones

• 420:
• Designaciones comunes: UNS S42000, EN X46Cr13 (o X20Cr13 según la variante), JIS SUS420J1 / SUS420J2.
• Normas típicas: ASTM A276 (barras, perfiles y barras de acero inoxidable), ASME, EN, JIS.
• Categoría: Acero inoxidable martensítico (acero inoxidable para herramientas/cuchillos).
• 440C:
• Designaciones comunes: UNS S44004, EN X105CrMo17 (histórico), JIS SUS440C.
• Normas típicas: AMS, ASTM A582 / A666 (algunas formas de producto), EN, JIS.
• Categoría: Acero inoxidable/para herramientas martensítico de alto carbono.

El acero 420 se especifica generalmente cuando basta con una resistencia a la corrosión y una dureza moderadas; el acero 440C se especifica cuando se requiere mayor dureza, resistencia al desgaste y retención de filo.

2. Composición química y estrategia de aleación

Elemento	420 (rangos típicos, % en peso)	440 °C (rangos típicos, % en peso)
C (Carbono)	0,15 – 0,40	0,95 – 1,20
Mn (manganeso)	≤ 1.00	≤ 1.00
Si (silicio)	≤ 1.00	≤ 1.00
P (Fósforo)	≤ 0,04	≤ 0,04
S (Azufre)	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr (Cromo)	12.0 – 14.0	16.0 – 18.0
Ni (níquel)	≤ 0,60	≤ 0,50
Mo (molibdeno)	traza – ≤ 0,60 (variante)	traza – ≤ 0,75 (algunas especificaciones)
V, Nb, Ti, B, N	típicamente trazas/ninguna	típicamente trazas/ninguna

Notas: - Los valores anteriores son rangos representativos de especificaciones comunes y hojas de datos de productos; la composición exacta depende del estándar y del fabricante. - El contenido sustancialmente mayor de carbono y cromo del 440C promueve una mayor fracción de volumen de carburos de cromo duros (principalmente tipos M23C6/M7C3 en microestructuras prácticas), lo que aumenta la resistencia al desgaste y la dureza alcanzable. - El menor contenido de carbono del acero 420 produce menos carburos y una matriz de martensita más dúctil después del temple y revenido, lo que mejora la tenacidad y la maquinabilidad en comparación con el acero 440C.

Cómo afecta la aleación al comportamiento: - El carbono controla la templabilidad y la dureza máxima alcanzable después del temple/revenido; mayor contenido de carbono → mayor dureza pero menor tenacidad y soldabilidad. El cromo proporciona resistencia a la corrosión mediante la formación de una película de óxido pasiva; un mayor contenido de Cr generalmente mejora la resistencia, pero la precipitación excesiva de carburos puede agotar localmente el cromo de la matriz. - Los elementos de aleación como el Mo (cuando están presentes) pueden mejorar la resistencia a la corrosión por picaduras y la templabilidad; el Mn y el Si son elementos de procesamiento y desoxidación con modestos efectos microestructurales.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Ambos grados son aceros inoxidables martensíticos en condiciones comunes de tratamiento térmico, pero sus microestructuras difieren significativamente:

• 420:
• Microestructura después del temple: predominantemente martensita con una fracción de volumen de carburos relativamente baja; los carburos son más finos y menos numerosos.
• Tratamiento térmico: austenización (rango típico de ~980–1030 °C según las especificaciones), temple (en aceite o aire según el tamaño de la sección), revenido hasta alcanzar la dureza requerida (entre ~150–600 °C). La dureza máxima práctica está limitada por el contenido de carbono (a menudo hasta ~48–52 HRC para las variantes con mayor contenido de carbono).

• Respuesta: buena respuesta a los ciclos convencionales de temple y revenido; menor fracción de austenita retenida; el revenido mejora la tenacidad.

• 440C:

• Microestructura tras el temple: matriz martensítica con una fracción volumétrica significativa de carburos ricos en cromo. La distribución de los carburos contribuye de forma importante a la resistencia al desgaste.
• Tratamiento térmico: austenización, generalmente entre 1010 y 1070 °C, temple (en aceite o aire para secciones pequeñas) y revenido según la dureza deseada. En ocasiones, se emplean tratamientos criogénicos para reducir la austenita retenida y convertirla en martensita, seguidos de un revenido a baja temperatura para estabilizar la dureza.
• Respuesta: un alto contenido de carbono permite una dureza muy elevada tras el temple, pero también aumenta el riesgo de deformación y agrietamiento. El revenido sacrifica dureza por tenacidad; un revenido óptimo equilibra la dureza retenida con el riesgo de fractura frágil.

La normalización, el revenido repetido o los tratamientos bajo cero tienen resultados diferentes: el 440C se beneficia más del control de carburos y los tratamientos criogénicos para maximizar la dureza y la estabilidad dimensional, mientras que el 420 es más tolerante a los ciclos térmicos.

4. Propiedades mecánicas

Propiedad	420 (típico, dependiente de las condiciones)	440 °C (típico, dependiente de las condiciones)
Resistencia a la tracción	De moderado a alto tras el endurecimiento; aumenta con un mayor contenido de carbono y fracción de martensita.	Generalmente, la resistencia máxima a la tracción es mayor después del endurecimiento debido a un mayor contenido de carbono.
Fuerza de fluencia	Moderado; depende del tratamiento térmico.	Mayor cuando está completamente endurecido
Alargamiento (ductilidad)	Mayor ductilidad (recocido o templado) — mejor conformabilidad	Menor elongación al endurecerse; puede volverse quebradizo si se templa en exceso.
resistencia al impacto	Mayor tenacidad en comparación con el acero 440C (misma categoría de dureza).	Menor tenacidad debido a la presencia de carburos y mayor dureza.
Dureza (HRC)	Normalmente hasta ~48–52 HRC (las variantes con mayor contenido de C se acercan al límite superior).	Normalmente, hasta ~58–64 HRC en condiciones de temple y revenido adecuadas.

Explicación cualitativa: El acero 440C alcanza mayor dureza y resistencia al desgaste debido a que su mayor contenido de carbono forma una mayor cantidad de carburos de cromo duros incrustados en la matriz martensítica. Esto aumenta la resistencia a la tracción y a la compresión, pero reduce la tenacidad y la ductilidad. - El acero 420, con menor contenido de carbono y menos carburos, ofrece mejor tenacidad y maquinabilidad, pero no puede igualar la retención de filo ni la resistencia al desgaste del 440C.

Nota: Los valores mecánicos exactos dependen en gran medida de la forma del producto (barra, placa), el tamaño de la sección y los parámetros precisos del tratamiento térmico. Para los cálculos de diseño, se deben consultar las fichas técnicas de los proveedores.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está influenciada principalmente por el equivalente de carbono y la templabilidad. Dos índices empíricos comunes:

• Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• PCM alemán: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación: El contenido significativamente mayor de carbono y cromo del acero 440C incrementa los valores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$, lo que indica una mayor propensión a formar microestructuras martensíticas duras en la zona afectada por el calor (ZAC) y, por lo tanto, un mayor riesgo de fisuración en frío y fragilización por hidrógeno. Para una soldadura sin problemas del acero 440C, generalmente se requiere precalentamiento, un aporte térmico controlado, el uso de consumibles con bajo contenido de hidrógeno y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (TTPS). - El acero 420, con menor contenido de carbono, tiene mejor soldabilidad en comparación, pero aún así requiere atención: se recomienda el precalentamiento y el revenido posterior a la soldadura para aplicaciones críticas para evitar la zona afectada por el calor martensítica dura y aliviar las tensiones residuales. En la práctica, ambos grados no son tan soldables como los aceros inoxidables austeníticos; a menudo se evita la soldadura en componentes críticos de alta dureza fabricados con acero 440C. Es común la fabricación mediante mecanizado a partir de barras.

6. Corrosión y protección de superficies

• 420:
• Con un contenido de cromo de entre el 12 y el 14 %, el acero 420 ofrece una resistencia a la corrosión moderada en atmósferas suaves y frente a productos químicos ligeros. Se utiliza comúnmente en cubertería y en entornos poco agresivos. El acabado superficial (pulido, pasivación) mejora la resistencia a la corrosión.
• Para entornos agresivos o marinos, se recomienda una protección adicional como el chapado, el recubrimiento o la especificación de un acero inoxidable de mayor aleación.
• 440C:
• Un mayor contenido de cromo mejora nominalmente la resistencia a la corrosión, pero la elevada fracción volumétrica de carburos y su precipitación durante el tratamiento térmico pueden agotar localmente el cromo en la matriz y reducir la resistencia a la corrosión por picaduras. En ambientes neutros o ligeramente corrosivos, el acero 440C ofrece un rendimiento adecuado; en ambientes altamente corrosivos o con presencia de cloruros, su rendimiento no es óptimo sin protección superficial.
• PREN (no suele ser decisivo para estos grados martensíticos, pero sí informativo para la resistencia a la corrosión por picaduras): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para los aceros 420 y 440C, los valores de PREN son modestos porque el Mo y el N son bajos o están ausentes; el PREN es más relevante para los aceros inoxidables austeníticos/ferríticos con Mo y N significativos.
• Opciones de protección de superficies para entornos corrosivos no adecuados: níquel químico, cromado, recubrimientos PVD, pasivación, pintura o especificación de una aleación alternativa resistente a la corrosión.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• 420: más fácil de mecanizar en estado recocido; las variantes 420HC con mayor contenido de carbono son más difíciles de mecanizar, pero aún así más fáciles que el 440C. Se puede lograr un buen acabado superficial.
• 440C: Más difícil de mecanizar debido a su alta dureza y a los carburos de cromo abrasivos; se recomienda mecanizarlo en estado recocido más blando y rectificarlo después del endurecimiento. El desgaste de la herramienta es mayor; utilice herramientas de carburo, avances reducidos y refrigerante.
• Formabilidad y flexión:
• 420: mejor capacidad de doblado y conformado en estado recocido; las piezas templadas son menos dúctiles.
• 440C: conformado limitado después del endurecimiento; la práctica típica es realizar el conformado y mecanizado en estado recocido, y luego tratar térmicamente hasta alcanzar la dureza final.
• Acabado superficial:
• El acero 440C puede pulirse hasta obtener un alto brillo, pero requiere mayor esfuerzo de pulido/desbaste después del endurecimiento. El acero 420 se pule con relativa facilidad y acepta bien la pasivación.

8. Aplicaciones típicas

420 — Usos típicos	440C — Usos típicos
Cubiertos y cuchillos de cocina (nivel básico a intermedio)	Cubiertos y cuchillos de alta gama que requieren una retención de filo superior
Instrumentos quirúrgicos y herramientas dentales (algunos tipos)	Piezas de desgaste: bolas de válvulas, asientos, cojinetes, bujes
Ejes, husillos y componentes de bombas en medios moderadamente corrosivos	Rodamientos de bolas de precisión, rodillos, levas, placas de desgaste
Herrajes decorativos, fijaciones, molduras	Herramientas de corte y matrices donde se requiere resistencia a la corrosión y al desgaste del acero inoxidable

Justificación de la selección: - Elija 420 para aplicaciones que prioricen la resistencia a la corrosión y la tenacidad a un menor costo y cuando no se requiera una dureza extrema. - Elija 440C para aplicaciones donde la resistencia al desgaste, la retención de filo y la capacidad de alcanzar una dureza muy alta sean requisitos primordiales, y donde el procesamiento posterior (rectificado, pulido) sea aceptable.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero 440C suele ser más caro por kilogramo que el 420 debido a su mayor contenido de aleación, un control de proceso más estricto y la demanda en los mercados de herramientas y desgaste. Los productos especializados (barras rectificadas con precisión, material preendurecido) de 440C pueden tener un precio superior.
• Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en barras, láminas y varillas, pero las presentaciones varían. El 420 es omnipresente en el mercado de cubertería y acero inoxidable de uso general. El 440C se encuentra fácilmente en barras de precisión y barras redondas para herramientas y rodamientos, pero es menos común en placas de gran tamaño.
• Consejo de compras: Comprar productos en tamaños comunes y en condiciones preendurecidas puede reducir el tiempo de entrega y el costo; los tratamientos térmicos personalizados o los acabados adicionales (rectificado/tratamientos criogénicos) aumentan el precio de compra y el tiempo de entrega.

10. Resumen y recomendación

Atributo	420	440 °C
Soldabilidad	Mejor (do más bajo) — aún requiere controles	Peor (alta C y Cr): a menudo se necesita precalentamiento/PWHT
Compromiso entre resistencia y tenacidad	Mayor resistencia a una fuerza moderada	Mayor dureza máxima y resistencia al desgaste, menor tenacidad.
Costo	Más bajo	Más alto

Recomendaciones: - Elige 420 si: - Se necesita una resistencia a la corrosión moderada con una tenacidad y maquinabilidad razonables. - El coste, la conformabilidad y la facilidad de fabricación/soldadura son prioritarios. - La aplicación implica un desgaste moderado o cargas de impacto donde no se requiere una dureza extremadamente alta. - Elija 440C si: - La máxima dureza, la resistencia al desgaste y la retención del filo son fundamentales (pistas de rodamientos, asientos de válvulas, cuchillos de alta gama). - Puede adaptarse a tratamientos térmicos más complejos, acabados (rectificado, pulido) y precauciones de soldadura más estrictas, o bien optar por el mecanizado a partir de material preendurecido. - El entorno de servicio no es altamente corrosivo o se planea aplicar protección superficial.

Nota final: Tanto el acero inoxidable martensítico 420 como el 440C son opciones útiles; la elección debe basarse en el equilibrio entre la dureza/resistencia al desgaste requerida y la tenacidad, la facilidad de fabricación y el entorno corrosivo. Para componentes críticos, especifique las condiciones del tratamiento térmico y solicite al proveedor los datos de ensayos mecánicos para garantizar que la microestructura y las propiedades entregadas cumplan con los requisitos de diseño.