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

Introducción

Los aceros inoxidables martensíticos AISI/SAE 431 y 440C son dos aceros ampliamente utilizados que compiten habitualmente en aplicaciones que requieren un equilibrio entre resistencia, resistencia al desgaste y comportamiento ante la corrosión. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción se enfrentan al dilema de priorizar una mayor dureza y resistencia al desgaste frente a un mejor equilibrio entre tenacidad y resistencia a la corrosión a un coste razonable. Entre los contextos de decisión típicos se incluyen cojinetes, componentes de válvulas, elementos de fijación, ejes y aplicaciones de cuchillas o herramientas, donde el tratamiento térmico, el acabado superficial y el entorno determinan la elección óptima.

La principal diferencia entre estas calidades radica en su estrategia de aleación: una está formulada para ofrecer una dureza y resistencia al desgaste muy elevadas gracias a su alto contenido en carbono y cromo (440C), mientras que la otra sacrifica parte de su dureza máxima potencial para lograr una mayor tenacidad y resistencia a la corrosión mediante una aleación adicional (431). Esta compensación explica las diferencias en la respuesta al tratamiento térmico, la maquinabilidad, la soldabilidad y los usos típicos.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones internacionales comunes:
• AISI/SAE: 431, 440C
• ASTM/ASME: Varias especificaciones ASTM hacen referencia a estas aleaciones en barras, alambres o productos estirados (consulte las normas de producto ASTM específicas).
• EN: Los equivalentes más cercanos a veces se asignan a las categorías de acero inoxidable martensítico EN (consulte las hojas de datos del fabricante).

• JIS/GB: Las normas japonesas y chinas tienen grados de acero inoxidable martensítico similares; consulte las tablas de conversión cuando se requieran equivalentes exactos.

• Clasificación:

• 431: Acero inoxidable martensítico (aleación de acero inoxidable con cromo de medio a alto, con adiciones de níquel y pequeñas cantidades de Mo) — se utiliza donde se requiere mayor resistencia y resistencia a la corrosión que los aceros al carbono comunes.
• 440C: Acero inoxidable martensítico de alto carbono / acero inoxidable de grado para herramientas — optimizado para dureza y resistencia al desgaste; considerado un acero inoxidable para herramientas.

2. Composición química y estrategia de aleación

A continuación se presenta una tabla de composición concisa que muestra los rangos nominales típicos que se encuentran en los datos de los proveedores y en las especificaciones comunes. Estos son rangos aproximados; siempre verifique con el certificado de fábrica o la norma específica de referencia para la forma del producto prevista.

Elemento	Típico 431 (aprox. % en peso)	440C típico (aprox. % en peso)
do	0,15–0,25 (bajo–medio)	0,95–1,20 (alto)
Minnesota	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
PAG	≤ 0,03–0,04	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	15.0–17.0	16.0–18.0
Ni	1,25–2,5	≤ 1.0 (generalmente bajo)
Mes	0,2–0,6	≤ 0,75 (a menudo bajo/ausente)
V	rastro	rastro
Nb/Ti/B	trazas / no significativo	trazas / no significativo
norte	rastro	rastro

Cómo afecta la aleación al comportamiento: - Carbono: La diferencia clave — el alto contenido de carbono en el acero 440C produce una mayor fracción volumétrica de martensita con carburos, lo que permite una dureza y resistencia al desgaste mucho mayores tras el temple/revenido. El menor contenido de carbono en el acero 431 modera la dureza máxima para preservar la tenacidad. - Cromo: Ambos grados son aceros inoxidables martensíticos con un contenido comparable de cromo para la pasividad; combinado con el carbono, el Cr influye en la formación de carburos y la templabilidad. - Níquel y molibdeno: Presentes en el 431 para mejorar la resistencia a la corrosión y la tenacidad; el 440C normalmente omite cantidades significativas de Ni y Mo para favorecer el Cr formador de carburos y un alto contenido de carbono para la resistencia al desgaste. - Formadores de carburos (Cr, V): Promueven la formación de carburos duros en el acero 440C, mejorando la resistencia al desgaste pero reduciendo la tenacidad.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructuras típicas:
• 431: Matriz martensítica con relativamente pocos carburos grandes. Cuando se austeniza, templa y revene adecuadamente, el acero 431 ofrece martensita revenida con buena tenacidad y una cantidad moderada de carburos finos. Responde bien al revenido para lograr un equilibrio entre resistencia y ductilidad.

• 440C: Matriz martensítica con alta concentración de carburos ricos en cromo (M23C6 y similares) debido a su elevado contenido de carbono y cromo. Tras el endurecimiento, la microestructura presenta una alta fracción volumétrica de carburos duros embebidos en martensita, lo que confiere una elevada dureza y resistencia al desgaste, pero una menor tenacidad al impacto.

• Sensibilidad al tratamiento térmico:

• La temperatura y el tiempo de austenización controlan la disolución de los carburos. El acero 440C requiere un control preciso de la austenización para evitar un crecimiento excesivo del grano o la retención de austenita. El temple posterior para formar martensita dura, seguido de un revenido a temperaturas bajas o medias, permite alcanzar la dureza deseada; sin embargo, un revenido excesivo reduce significativamente la dureza.
• El acero 431 tolera un rango de revenido más amplio, lo que permite revenido a temperaturas más altas para intercambiar resistencia por tenacidad según sea necesario.
• El procesamiento termomecánico (laminación controlada, enfriamiento controlado) puede refinar el tamaño del grano de austenita previo y mejorar la tenacidad para ambos grados, pero el alto contenido de carbono del 440C limita el grado de mejora de la ductilidad que se puede lograr.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades dependen en gran medida del tratamiento térmico. Comportamiento comparativo típico (rangos cualitativos e indicativos):

Propiedad	431 (típico después de HT)	440 °C (típico después de HT)
Resistencia a la tracción	Alto (moderado-muy alto, depende del temperamento)	Muy alta (superior a 431 con una dureza similar)
Resistencia a la fluencia	Moderado a alto	Alto
Alargamiento / Ductilidad	Mayor (mejor elongación)	Menor (frágil a alta dureza)
Dureza al impacto	Mejor (mayor resistencia)	Menor (menor tenacidad a alta dureza)
Dureza (HRC)	~38–52 (dependiendo del temperamento)	~56–64 (dureza máxima alcanzable)

Interpretación: El acero 440C alcanza una dureza máxima y una resistencia al desgaste superiores gracias a su alto contenido de carbono y carburos. Esto también se traduce en una mayor resistencia a la tracción una vez endurecido, pero a costa de la ductilidad y la tenacidad al impacto. - El acero 431 ofrece un mejor equilibrio entre resistencia y tenacidad y una mayor resistencia al agrietamiento en servicio con cargas dinámicas o de fatiga en comparación con el acero 440C totalmente endurecido.

5. Soldabilidad

La soldabilidad se ve influenciada por el equivalente de carbono, la templabilidad y la microaleación.

Índices útiles: - Equivalente de carbono del Instituto Internacional de Soldadura: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula PCM popular para el riesgo de soldadura: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - 440 °C: El alto contenido de carbono genera valores elevados de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$, lo que aumenta el riesgo de formación de martensita, agrietamiento y fisuración en frío asistida por hidrógeno en la zona afectada por el calor. Generalmente se requiere precalentamiento, tratamiento térmico posterior a la soldadura y procedimientos con bajo contenido de hidrógeno; se desaconseja la soldadura en piezas que requieren máxima dureza, a menos que se aplique un tratamiento térmico posterior a la soldadura sustancial. - 431: Su menor contenido de carbono y la presencia de Ni/Mo le confieren una templabilidad moderada y una menor susceptibilidad al agrietamiento en comparación con el 440C. Aun así, no es tan soldable como los aceros inoxidables austeníticos de bajo carbono; se recomienda el precalentamiento y el enfriamiento controlado, y puede ser necesario un revenido posterior a la soldadura según la aplicación.

6. Corrosión y protección de superficies

• Comportamiento del acero inoxidable:
• Ambos grados son aceros inoxidables martensíticos y pueden formar películas pasivas debido al cromo. Sin embargo, la resistencia a la corrosión depende de la microestructura, la precipitación de carburos y las adiciones de aleación.
• El Ni y el modesto Mo del 431 le confieren una resistencia a la corrosión ligeramente mejor en muchos entornos que el 440C, particularmente cuando el cromo del 440C está ligado a carburos.
• Uso de PREN:
• El PREN se utiliza comúnmente para aceros inoxidables austeníticos/ferríticos; resulta menos significativo para aleaciones martensíticas con bajo contenido de nitrógeno. No obstante, la fórmula es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para estos grados, el nitrógeno suele ser bajo y el cálculo PREN no captará los fenómenos específicos de la martensítica (por ejemplo, la precipitación de carburos).
• Protección de superficies para entornos no ideales:
• El acero 440C a menudo requiere protección superficial adicional o pasivación, especialmente si se utiliza en ambientes húmedos o que contienen cloruros; se debe considerar el revestimiento, la pasivación, los recubrimientos o las tolerancias de corrosión diseñadas.
• Cuando se requiera una mayor resistencia a la corrosión, considere los aceros inoxidables austeníticos o las familias dúplex en lugar de los grados martensíticos.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• 440C: Más difícil de mecanizar en estado recocido (debido a su alto contenido de carburo) y aún más difícil tras el endurecimiento. El rectificado es habitual para el acabado; el desgaste de la herramienta es mayor. El uso de herramientas de carburo y velocidades de corte adecuadas es estándar.
• 431: Mejor maquinabilidad que el 440C, especialmente en condiciones recocidas o templadas más blandas. La vida útil de las herramientas y los parámetros de corte son más tolerantes.
• Formabilidad:
• El acero 440C tiene una capacidad de conformado en frío limitada; el conformado generalmente se realiza en estado recocido o mediante mecanizado.
• El acero 431 es más maleable en estado recocido; se puede moldear y luego tratar térmicamente.
• Refinamiento:
• Ambos tipos admiten acabados pulidos; el 440C puede lograr un alto grado de pulido en superficies de rodamientos/cuchillas debido a que los carburos duros contribuyen a la resistencia al desgaste, pero el pulido requiere más tiempo.

8. Aplicaciones típicas

431 — Usos típicos	440C — Usos típicos
Ejes, elementos de fijación, vástagos de válvulas, componentes de bombas donde se requiere una resistencia moderada a la corrosión y una buena tenacidad	Rodamientos, asientos de bolas, anillos de desgaste, filos de corte, cuchillas de alto desgaste, rodamientos pequeños
Componentes para la industria automotriz y aeroespacial donde se busca un equilibrio entre resistencia y resistencia a la corrosión.	Herramientas de alta resistencia al desgaste, hojas quirúrgicas (cuando se requiere esterilizabilidad y alta dureza), rodamientos de precisión
Componentes marinos con estrategias de protección contra la corrosión moderadas	Cuchillos, hojas de afeitar, instrumentos quirúrgicos que requieren una alta retención de filo

Justificación de la selección: - Cuando se presentan cargas cíclicas, impactos o exposición corrosiva moderada, a menudo se elige el acero 431 por su tenacidad y equilibrio ante la corrosión. - Cuando la resistencia al desgaste, la retención de filo y la alta dureza dominan los requisitos de diseño, el acero 440C es la opción preferida a pesar de un procesamiento más difícil y una menor tenacidad.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El acero 440C tiende a ser más caro en sus formas endurecidas/rectificadas terminadas debido a su mayor contenido de aleación, requisitos más estrictos de tratamiento térmico y rectificado, y mayor desgaste de las herramientas en el mecanizado.
• El acero 431 suele ser menos costoso de producir y mecanizar, especialmente cuando las rutas de producción evitan el endurecimiento completo y solo requieren un revenido moderado.
• Disponibilidad:
• Ambos grados de acero inoxidable se encuentran ampliamente disponibles en forma de barras, placas y alambres de proveedores especializados en aceros inoxidables y para herramientas. El acero 440C es muy común en piezas en bruto para rodamientos y cuchillas de pequeño diámetro; el 431 es común en barras y componentes forjados.
• Consideraciones sobre el formulario:
• Las piezas terminadas y endurecidas en 440C pueden suministrarse rectificadas y pulidas; estas formas de valor añadido aumentan el coste y el plazo de entrega.
• Las piezas forjadas de gran tamaño o los componentes de paredes gruesas en 440C son menos comunes debido a las dificultades para lograr propiedades uniformes; el 431 es más adaptable a secciones transversales más grandes.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Característica	431	440 °C
Soldabilidad	Mejor (moderado)	De menor calidad (alto riesgo de agrietamiento)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Buen equilibrio (más difícil)	Alta resistencia y dureza, pero menor tenacidad.
Costo	Moderado	Mayores costos (de procesamiento/herramientas)
Resistencia a la corrosión	Mejor en la clase martensítica	Buena capacidad pasiva, pero reducida por los carburos.
Resistencia al desgaste / dureza	Moderado	Excelente (dureza máxima)

Conclusión — elegir en función de las prioridades funcionales: - Elija 431 si necesita una aleación equilibrada que ofrezca mayor tenacidad, mejor resistencia a la corrosión en muchos entornos de servicio y una fabricación/soldadura más sencilla, para ejes giratorios, componentes de válvulas, sujetadores y piezas sujetas a impactos o fatiga. - Elija 440C si la máxima dureza, la resistencia al desgaste y la retención del filo son los factores principales y puede gestionar el chapado, el acabado y las restricciones más estrictas de tratamiento térmico y soldadura, para cojinetes, filos de corte, componentes de desgaste y herramientas de precisión.

Nota final: Ambas aleaciones requieren una cuidadosa selección del tratamiento térmico, el postprocesamiento y la preparación de la superficie para lograr la combinación deseada de propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Consulte siempre los certificados de fábrica, las fichas técnicas del proveedor y realice pruebas específicas para la aplicación (fatiga, desgaste, corrosión) antes de la selección final.