42CrMo frente a 40CrNiMoA: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse a la decisión entre 42CrMo y 40CrNiMoA al especificar componentes que requieren un equilibrio entre resistencia, tenacidad y templabilidad. Entre los contextos de decisión típicos se incluyen ejes giratorios, componentes de cajas de cambios de alta resistencia y elementos de fijación sometidos a grandes cargas, donde la elección de la aleación adecuada depende del equilibrio entre coste, soldabilidad y resistencia al impacto.

La principal diferencia práctica radica en que el 40CrNiMoA contiene níquel como elemento de aleación para mejorar la tenacidad y la resistencia a la entalla, manteniendo niveles de resistencia comparables, mientras que el 42CrMo obtiene sus propiedades principalmente gracias a la templabilidad del cromo-molibdeno. Estos dos aleaciones se comparan frecuentemente debido a que ocupan nichos de aplicación similares, pero difieren en tenacidad, respuesta al tratamiento térmico y costo.

1. Normas y designaciones

• 42CrMo: A menudo se le denomina 42CrMo4 en las normas EN (serie EN 10083) y se suele equiparar al AISI/SAE 4140 en la práctica norteamericana. También aparece en las normas chinas con composiciones químicas similares a las de las especificaciones GB/T.
• 40CrNiMoA: Se encuentra en las designaciones chinas de aceros aleados GB para aceros estructurales templados y revenidos; a veces se compara con otros aceros aleados que contienen níquel en las listas EN/ASTM, aunque es principalmente una designación GB.
• Otras normas en las que pueden aparecer equivalentes: ASTM/ASME (especificaciones generales de aceros aleados), JIS (equivalentes japoneses de aceros aleados).
• Clasificación: Ambos son aceros aleados (de carbono medio y aleación baja a media). No son aceros inoxidables ni aceros HSLA microaleados en sentido estricto; son aceros estructurales aleados tratables térmicamente, destinados a servicio templado y revenido.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Composición típica (en % peso) — rangos representativos utilizados en documentos de la industria. Estos son rangos objetivo típicos; consulte el certificado específico del fabricante para la adquisición.

Elemento	42CrMo (típico, % en peso)	40CrNiMoA (típico, % en peso)
do	0,38–0,45	0,36–0,44
Minnesota	0,60–0,90	0,50–0,80
Si	0,17–0,37	0,17–0,37
PAG	≤0,025	≤0,025
S	≤0,035	≤0,035
Cr	0,90–1,20	0,80–1,10
Ni	traza–0.30	0,30–0,70
Mes	0,15–0,30	0,15–0,30
V	rastro	rastro
Nb, Ti, B, N	traza / controlado	traza / controlado

Explicación de la estrategia de aleación: - El carbono proporciona resistencia y templabilidad base, pero reduce la soldabilidad y la ductilidad a medida que aumenta su concentración. - El cromo y el molibdeno aumentan la templabilidad y la resistencia al revenido; permiten mayores resistencias al temple y una mejor respuesta al revenido a altas temperaturas. - El níquel (presente en 40CrNiMoA) es un potente potenciador de la tenacidad; mejora la tenacidad al impacto a bajas temperaturas y la resistencia a los efectos de las muescas sin una gran penalización a la templabilidad. - El manganeso y el silicio son desoxidantes y también contribuyen a la resistencia y templabilidad en cantidades modestas. - Los elementos de microaleación traza (V, Nb, Ti, B), cuando están presentes, refinan el tamaño del grano y pueden mejorar la tenacidad/templabilidad; estos se mantienen normalmente bajos o se omiten según la forma del producto.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: En estado normalizado, ambas aleaciones forman microestructuras de ferrita-perlita. Tras el temple, la estructura objetivo es la martensita (posiblemente martensita + austenita retenida, dependiendo del enfriamiento y la composición de la aleación), y tras el revenido se forma una microestructura de martensita revenida. - El 42CrMo responde eficazmente a los ciclos de temple y revenido: un mayor contenido de Cr y Mo proporciona una buena templabilidad, produciendo una estructura martensítica relativamente uniforme en espesores de sección moderados. - El 40CrNiMoA, con su contenido de níquel, tiende a producir martensita revenida ligeramente más resistente; el níquel promueve una estructura de paquetes/bloques más fina y reduce la sensibilidad a la fragilización por revenido cuando se procesa correctamente.

Efecto de las rutas comunes: - Normalización: refina el tamaño del grano y homogeneiza la microestructura para el mecanizado o forjado posterior; ambos aceros se benefician de manera similar. - Temple y revenido: Ambos procesos están diseñados para temple y revenido. El 42CrMo alcanza una alta resistencia mediante el endurecimiento y el control del temple; el 40CrNiMoA, en condiciones de temple equivalentes, suele mostrar una mayor tenacidad al impacto para una resistencia a la tracción dada, debido al efecto del níquel en la ductilidad y la resistencia a la fractura. - Procesamiento termomecánico: Si se aplica (forjado + laminado controlado), ambos procesos pueden lograr una mayor tenacidad debido al refinamiento del grano; los aceros con níquel suelen mostrar una ventaja en la tenacidad a bajas temperaturas después de dicho procesamiento.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Propiedades mecánicas típicas en estado templado y revenido (rangos industriales). Las propiedades reales dependen de la temperatura, el tiempo y el tamaño de la sección específicos del tratamiento térmico.

Propiedad	42CrMo (Q&T típico)	40CrNiMoA (Q&T típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	850–1100	800–1100
Límite elástico (MPa)	600–850	550–800
Alargamiento (%)	10–15	12–18
Impacto Charpy (J, a temperatura de diseño)	Moderado — depende del tratamiento térmico	Mayor tenacidad con una resistencia comparable
Dureza (HRC o HB)	HRC 25–45 (o HB 250–450)	Rango similar; mayor tolerancia al impacto con la misma dureza.

Interpretación: - Resistencia: Ambas aleaciones pueden alcanzar resistencias a la tracción comparables después del tratamiento térmico. La mayor templabilidad del Cr-Mo en la aleación 42CrMo a menudo permite alcanzar la dureza objetivo con programas de temple más sencillos. - Tenacidad: La aleación 40CrNiMoA generalmente proporciona una mayor tenacidad al impacto y un mejor rendimiento en condiciones de muescas a niveles de resistencia comparables debido al níquel. - Ductilidad: El 40CrNiMoA tiende a mostrar porcentajes de elongación ligeramente superiores cuando se procesa química y térmicamente para mejorar su tenacidad.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende principalmente del equivalente de carbono y de la presencia de elementos de aleación que aumentan la templabilidad.

Fórmulas útiles: - Equivalente de carbono (método IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parámetro fenomenológico frecuentemente utilizado en la práctica china: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: Ambos aceros son aceros de aleación de carbono medio con valores CE moderados; son soldables con un precalentamiento adecuado, control de temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) en aplicaciones críticas. - El 42CrMo, con un contenido ligeramente inferior de níquel, suele tener una tendencia marginalmente mayor a formar estructuras HAZ martensíticas duras si no se precalienta correctamente, pero su buen control de templabilidad permite un PWHT predecible. El acero 40CrNiMoA, si bien es más resistente en el metal base, contiene níquel, lo que aumenta ligeramente los factores CE y también puede mejorar la tenacidad de la ZAT si se controlan las velocidades de enfriamiento. En la práctica, se deben utilizar las especificaciones del procedimiento de soldadura (WPQ) y se recomienda el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para uniones de alta integridad.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el 42CrMo ni el 40CrNiMoA son inoxidables; requieren protección superficial en ambientes corrosivos.
• Medidas de protección comunes: galvanizado en caliente (para componentes más pequeños), electrodeposición, recubrimientos de conversión, sistemas de pintura/epoxi y aceitado para protección a corto plazo.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos hormigones no inoxidables, pero la fórmula estándar del PREN es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ El uso de PREN se aplica únicamente a las aleaciones de acero inoxidable; para 42CrMo y 40CrNiMoA, la resistencia a la corrosión es baja y depende de los recubrimientos o la protección catódica.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: En estado normalizado o recocido, ambos materiales se mecanizan razonablemente bien; la mayor dureza tras el tratamiento térmico reduce la maquinabilidad. El níquel en el 40CrNiMoA no dificulta significativamente el mecanizado en estado blando, pero puede aumentar el desgaste de la herramienta en estado endurecido.
• Conformabilidad: Ambos materiales presentan una conformabilidad en frío limitada en estado endurecido. El trabajo en caliente y la forja son procesos comunes antes del tratamiento térmico final. La normalización previa al mecanizado puede mejorar la conformabilidad.
• Acabado superficial: Ambos métodos aceptan prácticas de acabado comunes (rectificado, granallado) para componentes críticos sometidos a fatiga. La presencia de níquel puede afectar ligeramente la respuesta al tratamiento superficial (p. ej., coloración térmica durante el revenido), pero se aplican los procesos de acabado estándar.

8. Aplicaciones típicas

42CrMo – Usos típicos	40CrNiMoA – Usos típicos
Ejes, engranajes, cigüeñales y componentes hidráulicos que requieren alta resistencia y buena templabilidad.	Cigüeñales de alta resistencia, ejes grandes, componentes de rotores, elementos de fijación sometidos a grandes esfuerzos donde la alta tenacidad y la resistencia al impacto son fundamentales.
Estructuras de máquinas y componentes de herramientas que requieren buena resistencia al temple	Componentes expuestos a cargas cíclicas con sensibilidad a las muescas, donde el níquel mejora la tenacidad a la fractura.
Piezas templadas y revenidas de uso general donde la relación coste-beneficio es importante	Aplicaciones que requieren una mayor tenacidad a bajas temperaturas o donde se prioriza la resistencia a las muescas.

Justificación de la selección: - Elija 42CrMo cuando la alta templabilidad, la respuesta de enfriamiento consistente y la eficiencia de costos sean las principales preocupaciones. - Elija 40CrNiMoA cuando se requiera una mayor tenacidad, especialmente en condiciones de entalla o servicio a baja temperatura, y el presupuesto permita un coste de aleación ligeramente superior.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El 40CrNiMoA suele ser más caro por tonelada que el 42CrMo debido al níquel añadido y a los controles de calidad más estrictos para lograr mayor tenacidad; sin embargo, las diferencias de coste dependen de los precios del níquel en el mercado y del abastecimiento de la planta.
• Disponibilidad: El acero 42CrMo (y sus equivalentes internacionales, como el 4140/42CrMo4) está ampliamente disponible en barras, forjados y placas. El acero 40CrNiMoA es común en regiones donde las calidades GB son estándar (China y algunos mercados asiáticos) y se encuentra disponible en productos forjados y laminados, pero puede ser menos frecuente en las cadenas de suministro de materias primas fuera de esas regiones.
• Formas del producto: Ambos se producen en forma de barras, forjados y placas; para aplicaciones críticas, se deben confirmar los plazos de entrega y las pruebas de fábrica (por ejemplo, certificados de pruebas de impacto).

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación rápida

Aspecto	42CrMo	40CrNiMoA
soldabilidad	Buen rendimiento con precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura; comportamiento predecible en la zona afectada por el calor.	Buen control; el níquel aumenta ligeramente la CE pero mejora la tenacidad en la ZAT.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta resistencia; buena tenacidad con el temple adecuado.	Resistencia similar en temple y revenido; mayor tenacidad/resistencia a la muesca.
Costo	Generalmente más bajo	Generalmente más alto (contenido de níquel)

Recomendaciones: Elija 42CrMo si necesita una aleación de Cr-Mo rentable y fácilmente disponible para componentes de alta resistencia con templabilidad fiable y donde una tenacidad estándar sea aceptable. Es la opción práctica para muchos ejes, engranajes y piezas estructurales en general. - Elija 40CrNiMoA si la aplicación exige una tenacidad al impacto superior, resistencia a las muescas o un mejor rendimiento a bajas temperaturas con niveles de resistencia comparables; por ejemplo, cigüeñales grandes, componentes con muchas muescas o piezas sujetas a impactos dinámicos donde las consecuencias de una falla son graves.

Nota final: Verifique siempre los certificados de fábrica y especifique los parámetros de tratamiento térmico, los requisitos de energía Charpy y las cualificaciones del procedimiento de soldadura para los componentes críticos. La selección del material debe confirmarse mediante ensayos de muestras o datos del proveedor para la forma exacta del producto y el tratamiento térmico previsto, a fin de garantizar el rendimiento en servicio requerido.