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

Introducción

Al diseñar componentes de alta resistencia, como ejes, engranajes y elementos de fijación pesados, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse a la decisión de especificar 42CrMo o 40CrNiMoA. Las compensaciones típicas en estas decisiones incluyen la resistencia requerida frente a la tenacidad, el coste frente al rendimiento y las limitaciones de tratamiento térmico o soldadura frente a la disponibilidad en las formas de producto requeridas.

La principal diferencia entre estos dos grados radica en la estrategia de aleación: el 42CrMo es un acero de aleación media de cromo-molibdeno optimizado para la templabilidad y la alta resistencia tras el temple y revenido, mientras que el 40CrNiMoA contiene níquel añadido (junto con cromo y molibdeno) para mejorar sustancialmente la tenacidad al impacto y la resistencia a la fatiga, manteniendo niveles de resistencia comparables. Esta diferencia determina la elección cuando la ductilidad, la resistencia a la fractura o la tenacidad a bajas temperaturas son factores críticos.

1. Normas y designaciones

• 42CrMo:
• Normas comunes: EN 10250 / EN 10083-3 designación 42CrMo4, GB/T 3077 (42CrMo), ampliamente comparado con AISI/SAE 4140 (familia similar).
• Categoría: Acero de aleación media tratable térmicamente (no inoxidable); a menudo especificado para condiciones templadas y revenidas (QT).
• 40CrNiMoA:
• Estándares comunes: GB/T (chino) grado 40CrNiMoA; a menudo comparado con AISI/SAE 4340 en cuanto a la intención de especificación.
• Categoría: Acero aleado de níquel-cromo-molibdeno (tratable térmicamente), mayor tenacidad que los aceros Cr-Mo simples.

Ambos son aceros aleados (no inoxidables) destinados a componentes estructurales y de ingeniería que requieren un tratamiento térmico posterior al conformado para lograr las propiedades mecánicas deseadas.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos de composición típicos (en % peso). Estos son rangos representativos para grados comerciales y se utilizan con fines comparativos; los valores exactos deben tomarse del certificado específico del fabricante o de la norma aplicable.

Elemento	42CrMo (rango típico, % en peso)	40CrNiMoA (rango típico, % en peso)
do	0,38 – 0,45	0,36 – 0,44
Minnesota	0,50 – 0,80	0,50 – 0,80
Si	0,15 – 0,40	0,15 – 0,40
PAG	≤ 0,025 (máx.)	≤ 0,025 (máx.)
S	≤ 0,035 (máx.)	≤ 0,035 (máx.)
Cr	0,90 – 1,20	0,80 – 1,20
Ni	— (rastro a cero)	1.20 – 1.80
Mes	0,15 – 0,30	0,10 – 0,30
V	≤ 0,05 (traza típica)	≤ 0,05 (traza típica)
Nb, Ti, B, N	Traza / controlado (depende del fabricante de acero)	Rastreo / controlado

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono establece la templabilidad base y el potencial de resistencia; ambos grados son aceros de carbono medio para permitir una alta resistencia después del temple y revenido. - El cromo y el molibdeno aumentan la templabilidad y la resistencia al revenido; también incrementan la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste. - El níquel es el factor diferenciador clave: el níquel mejora la tenacidad, aumenta la ductilidad y reduce la temperatura de transición de frágil a dúctil, lo cual es fundamental para el rendimiento ante impactos y fatiga. - El manganeso y el silicio son desoxidantes y contribuyen modestamente a la resistencia y la templabilidad. - Los oligoelementos y las adiciones de microaleación (V, Nb, Ti, B) —cuando están presentes— modifican el tamaño del grano y el comportamiento de precipitación y a menudo se utilizan para mejorar la tenacidad o la resistencia en formas de productos específicas.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: En estado normalizado: ambos aceros presentarán una estructura bainítica/perlítica revenida con matriz ferrítica, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. El tamaño de grano depende de la temperatura de trabajo en caliente y de normalización. - Temple y revenido (TR): ambos procesos desarrollan martensita revenida o bainita revenida, dependiendo de la severidad del temple. La temperatura de revenido controla el equilibrio entre resistencia y tenacidad.

Efectos del tratamiento térmico: - La normalización (enfriamiento por aire desde la austenización) refina el tamaño del grano y produce una microestructura uniforme que es mecanizable y dimensionalmente estable; se utiliza comúnmente como condición de suministro para piezas en bruto de forja y algunas barras. El temple (en aceite, agua o controlado) tras la austenización, seguido de revenido, es el método estándar para lograr una alta resistencia. La severidad del temple y el espesor de la pieza determinan la fracción de martensita resultante y las tensiones residuales. - El revenido reduce la dureza y aumenta la tenacidad; los aceros con níquel (40CrNiMoA) suelen conservar una mejor tenacidad a temperaturas de revenido equivalentes porque el níquel estabiliza la matriz y reduce la tendencia a la fragilización por revenido en muchos regímenes. - El procesamiento termomecánico (laminación controlada y enfriamiento acelerado) puede producir estructuras bainíticas finas con un excelente equilibrio entre resistencia y tenacidad; el 40CrNiMoA se beneficia más del procesamiento TM cuando se requiere tenacidad a baja temperatura.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Propiedades mecánicas típicas para condiciones de temple y revenido. Los valores son rangos indicativos para temple y revenido industriales típicos y variarán según el tratamiento térmico exacto y el tamaño de la sección.

Propiedad	42CrMo (QT, rango típico)	40CrNiMoA (QT, rango típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	800 – 1100	850 – 1150
Límite elástico (MPa)	600 – 900	650 – 950
Alargamiento (% A)	10 – 16	10 – 18
Resistencia al impacto (Charpy V, J)	20 – 60 (depende de la temperatura y el temperamento)	40 – 120 (generalmente más alto, mejor para la baja testosterona)
Dureza (HRC)	24 – 40 (depende del temperamento)	24 – 44 (rango similar; puede ser más resistente con una dureza comparable)

Interpretación: Ambas calidades pueden someterse a tratamiento térmico para alcanzar niveles de resistencia comparables. La aleación 40CrNiMoA suele ofrecer una mayor tenacidad al impacto y resistencia a la fatiga con la misma dureza/resistencia, ya que el níquel mejora la tenacidad y reduce la temperatura de transición dúctil-frágil. - El 42CrMo puede resultar ligeramente más económico para piezas en las que la demanda de tenacidad es moderada y en las que la templabilidad por temple del Cr-Mo por sí sola es adecuada. - En aplicaciones que requieren una alta tenacidad a la fractura o servicio a baja temperatura, a menudo se prefiere el 40CrNiMoA a pesar de tener propiedades de tracción similares.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del equivalente de carbono y la templabilidad. Dos índices empíricos de uso común son:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Interpretación cualitativa: - Debido a que ambos grados son de carbono medio y contienen Cr y Mo, tienen una templabilidad moderada y un riesgo no despreciable de formar martensita dura en la zona afectada por el calor (ZAC) si se sueldan sin precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - El níquel del 40CrNiMoA reduce ligeramente el impacto del equivalente de carbono en la propensión al agrietamiento en frío y mejora la tenacidad de la ZAT, lo que puede facilitar la soldadura en componentes críticos para el servicio; sin embargo, el precalentamiento y las temperaturas controladas entre pasadas siguen siendo habituales para ambos grados. - Para ambos aceros, las mejores prácticas para conjuntos soldados a menudo incluyen consumibles de bajo hidrógeno, precalentamiento apropiado (según el espesor y CE/Pcm), temperatura entre pasadas controlada y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para templar la martensita de la ZAT y reducir las tensiones residuales. - Utilice las fórmulas $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ con análisis químicos reales para una calificación precisa del procedimiento de soldadura.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el 42CrMo ni el 40CrNiMoA son aceros inoxidables; ambos son susceptibles a la corrosión general y localizada en ambientes expuestos.
• El níquel proporciona algunos efectos beneficiosos sobre la resistencia a la corrosión en ciertos entornos acuosos (por ejemplo, reduciendo la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno y mejorando la resistencia a ciertos ácidos reductores), pero no hace que la aleación sea “inoxidable”.
• Para la mayoría de las aplicaciones estructurales y mecánicas, se aplican métodos de protección estándar:
• Galvanizado en caliente para estructuras de acero exteriores cuando sea compatible con el tratamiento térmico posterior.
• Recubrimientos líquidos o en polvo (sistemas de pintura), fosfatado o aceitado para piezas en las que la galvanización no es apropiada.
• Ingeniería de superficies (nitruración, carburización, endurecimiento por inducción) para la resistencia al desgaste — tenga en cuenta que estos procesos interactúan con la química de la aleación subyacente y el tratamiento térmico.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros no inoxidables, pero cuando se consideran grados de acero inoxidable para entornos corrosivos, el índice es: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Cuando la resistencia a la corrosión sea un requisito primordial, utilice aleaciones inoxidables en lugar de depender del contenido de níquel en los aceros al carbono/aleados.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Mecanizado:
• En estado normalizado o recocido, ambos materiales son mecanizables utilizando herramientas estándar para acero aleado. El níquel en el 40CrNiMoA puede reducir ligeramente la maquinabilidad en comparación con composiciones con menor contenido de níquel, pero las diferencias son mínimas.
• Tras el temple y el revenido, la dureza aumenta y la maquinabilidad disminuye; la práctica recomendada es realizar un tratamiento térmico previo al mecanizado de desbaste siempre que sea posible.
• Formación:
• El conformado en frío está limitado por el contenido de carbono; el conformado en caliente y la forja son los métodos habituales para obtener formas complejas. El normalizado posterior al conformado en caliente es típico.
• La presencia de níquel en el 40CrNiMoA mejora la ductilidad y puede permitir rutas de conformado ligeramente más agresivas antes de la fisuración.
• Acabado superficial:
• Ambos materiales admiten rectificado, pulido y recubrimiento. Los tratamientos superficiales para el desgaste (carburización, nitruración, endurecimiento por inducción) deben tener en cuenta la composición química base y la dureza/tenacidad final deseada.

8. Aplicaciones típicas

42CrMo (usos comunes)	40CrNiMoA (usos comunes)
Ejes, ejes, engranajes, acoplamientos para maquinaria industrial general	Ejes de alta resistencia, accesorios de tren de aterrizaje, engranajes de alta resistencia y cigüeñales donde la robustez es fundamental.
Componentes forjados, fijaciones de servicio medio, cilindros hidráulicos	Componentes rotativos críticos, fijaciones de alta resistencia, componentes sometidos a impactos o servicio a baja temperatura.
Bases de máquinas y componentes de herramientas que requieren buena templabilidad	Componentes mecánicos aeroespaciales/de defensa o de alta seguridad donde se prioriza la resistencia a la fatiga y a la fractura.

Justificación de la selección: - Elija 42CrMo cuando el costo y la disponibilidad sean los factores primordiales y los requisitos de resistencia sean moderados, y donde los ciclos estándar de temple y revenido proporcionen la resistencia requerida. - Elija 40CrNiMoA cuando se requiera mayor tenacidad a la fractura, vida a la fatiga y rendimiento a bajas temperaturas con niveles de resistencia comparables; por ejemplo, piezas giratorias críticas para la seguridad o componentes expuestos a cargas de impacto.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El níquel es un factor de coste significativo. El 40CrNiMoA suele ser más caro por kilogramo que el 42CrMo debido a su mayor contenido de níquel y, en ocasiones, a requisitos de procesamiento e inspección más estrictos.
• Disponibilidad:
• El acero 42CrMo se produce y almacena ampliamente en una gran variedad de tamaños de barras y forjas; suele estar más disponible a nivel mundial.
• La aleación 40CrNiMoA está disponible comúnmente, pero puede producirse en gamas de productos más reducidas y con plazos de entrega más largos dependiendo de las acerías regionales y la demanda.
• Formas del producto: Ambos se ofrecen en forma de barras, forjados y, en ocasiones, tubos o placas laminadas; especifique los certificados de fábrica y los tratamientos térmicos al inicio del proceso de compra para evitar retrasos.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen:

Criterio	42CrMo	40CrNiMoA
Soldabilidad	Moderado (requiere precalentamiento/tratamiento térmico posterior para secciones gruesas)	Tenacidad moderada a mejor en la ZAT gracias al Ni, aunque aún requiere una soldadura cuidadosa.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta resistencia; buena tenacidad con el templado adecuado.	Resistencia comparable con una tenacidad al impacto y una resistencia a la fatiga superiores.
Costo	Menor (generalmente más económico)	Mayor (el níquel aumenta el costo del material)
Disponibilidad	Ancho	Generalmente disponible, aunque puede ser menos común en algunos mercados.

Recomendaciones finales: - Elija 42CrMo si: - El diseño requiere una alta resistencia estática y resistencia al desgaste a un precio más económico. Los componentes son de resistencia media, los procedimientos de soldadura son manejables y las exigencias de temperatura y resistencia al servicio son moderadas. - Necesitas una amplia disponibilidad en muchos tamaños de barras y forjas.

• Elija 40CrNiMoA si:
• El componente debe combinar alta resistencia con una tenacidad al impacto superior, resistencia a la fractura o rendimiento a bajas temperaturas (por ejemplo, piezas giratorias de alta resistencia, componentes de seguridad críticos o servicios donde la vida útil a la fatiga es primordial).
• La soldabilidad y la tenacidad de la ZAT son particularmente importantes y justifican el precio superior del material.
• Se pueden aceptar plazos de entrega potencialmente más largos o un coste de adquisición ligeramente superior para mejorar la fiabilidad en servicio.

Al especificar cualquiera de los grados, defina siempre las condiciones de tratamiento térmico requeridas, las propiedades mecánicas objetivo, los límites de dureza aceptables y las certificaciones necesarias. Para la soldadura, utilice el análisis químico medido para calcular $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ y validar los procedimientos de soldadura; para aplicaciones sensibles a la corrosión, considere opciones de acero inoxidable en lugar de depender del níquel en el acero aleado.