45# frente a 40Cr: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción a menudo se enfrentan a la decisión entre aceros al carbono y aceros de baja aleación para ejes giratorios, engranajes, pasadores y componentes de máquinas. El acero 45# (comúnmente denominado acero al carbono medio) y el acero 40Cr (un acero al carbono medio aleado con cromo) se comparan frecuentemente debido a que, si bien su composición es similar, presentan diferencias en templabilidad, resistencia y respuesta al tratamiento térmico.
La diferencia fundamental radica en que la adición de cromo al acero 40Cr aumenta la templabilidad y la resistencia alcanzable tras el temple y el revenido, mientras que el acero 45# depende del contenido de carbono y del tamaño de la sección para lograr dureza y resistencia. Esta diferencia determina la elección cuando el endurecimiento total, el espesor de la sección y las propiedades mecánicas posteriores al tratamiento térmico son cruciales.
1. Normas y designaciones
- 45#: Suele encontrarse como grado GB/T “45#” (China). Grados occidentales equivalentes: aproximadamente AISI/SAE 1045 (acero al carbono medio). Clasificado como acero al carbono simple (sin aleación).
- 40Cr: Se encuentra en GB/T como “40Cr”. Equivalentes aproximados: familia AISI/SAE 5140/4140 (acero al cromo de baja aleación). Clasificado como acero de baja aleación.
Otros sistemas de normalización relevantes que pueden abarcar aceros comparables: - ASTM/ASME: Serie SAE/AISI (ej., 1045, 4140). - EN: EN 8 / C45 (el más cercano para 45#); 40Cr se aproxima a las variantes EN 19/42CrMo4 dependiendo de la química exacta. - JIS: JIS muestra aceros al carbono medio y aleados similares bajo diferentes códigos numéricos. - GB: Especificaciones chinas GB/T para 45# y 40Cr.
2. Composición química y estrategia de aleación
Tabla: rangos de composición típicos (en % peso). Los límites de especificación reales dependen de la norma y del molino.
| Elemento | 45# (típico) | 40Cr (típico) |
|---|---|---|
| do | 0,42–0,50 | 0,37–0,44 |
| Minnesota | 0,50–0,80 | 0,50–0,80 |
| Si | 0,17–0,37 | 0,17–0,37 |
| PAG | ≤0,035 | ≤0,035 |
| S | ≤0,035 | ≤0,035 |
| Cr | - (rastro) | 0,80–1,20 |
| Ni | - (rastro) | ≤0,30 (puede estar ausente) |
| Mes | - (rastro) | ≤0,08 (pequeño o ausente) |
| V, Nb, Ti, B, N | traza/controlado | traza/controlado |
Cómo influye la aleación en las propiedades: - Carbono: templabilidad primaria y resistencia a temperatura ambiente; un mayor contenido de C aumenta la dureza alcanzable pero reduce la tenacidad y la soldabilidad. - Cromo (en 40Cr): aumenta la templabilidad y la resistencia al revenido, mejora la resistencia mecánica y al desgaste después del temple y revenido; también refina la estructura del carburo. - Manganeso y silicio: desoxidación y resistencia; el Mn contribuye a la templabilidad. - El fósforo y el azufre se mantuvieron bajos para preservar la tenacidad y la maquinabilidad.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: - 45#: En estado recocido o normalizado, la microestructura es ferrita + perlita con una fracción media de perlita consistente con ~0,45%C. El temple y revenido produce martensita templada a la dureza deseada, pero debido a que 45# carece de elementos de aleación fuertes, su templabilidad es limitada; la martensita central solo se puede lograr en secciones transversales relativamente pequeñas. - 40Cr: En estado normalizado, ferrita + perlita con carburos de aleación; tras el temple, es capaz de formar martensita en secciones más grandes que la aleación 45# debido al cromo. El revenido produce martensita revenida con un mejor equilibrio entre resistencia y tenacidad, y una mayor resistencia al revenido.
Efectos del procesamiento común: - Normalización: ambos grados refinan el tamaño del grano y producen una microestructura de ferrita/perlita predecible; el 40Cr puede formar dispersiones de carburo más finas. - Temple y revenido: El acero 40Cr alcanza mayor resistencia y tenacidad en secciones más gruesas; el acero 45# puede alcanzar una dureza comparable en secciones pequeñas, pero requerirá un control cuidadoso para evitar un comportamiento quebradizo. - Endurecimiento superficial (inducción, carburización): Ambos grados son adecuados; se prefiere el 40Cr cuando se requiere un núcleo resistente con una superficie endurecida, y se puede carburizar para mejorar la resistencia al desgaste superficial.
4. Propiedades mecánicas
Nota: Las propiedades mecánicas varían considerablemente según el tratamiento térmico y el tamaño de la sección. Los valores que se muestran a continuación son rangos típicos utilizados para comparaciones de ingeniería, no valores de especificación definitivos.
| Propiedad (rangos típicos) | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | 520–750 | 600–1100 |
| Límite elástico (MPa) | 300–500 | 400–950 |
| Alargamiento (%) | 10–18 | 8–16 |
| Resistencia al impacto (Charpy V, J) | 15–60 (dependiendo del tratamiento térmico) | 20–80 (mejor en estado templado y revenido) |
| Dureza (HB o HRC) | HB 160–250 (HRC ~15–30) | HB 180–320 (HRC ~18–36) |
Interpretación: - Resistencia: El acero 40Cr normalmente puede alcanzar mayores resistencias a la tracción y a la fluencia después del temple y revenido debido a la templabilidad mejorada por el Cr y a la estabilidad de la martensita revenida. Tenacidad: Cuando se templa correctamente, el acero 40Cr suele ofrecer un mejor equilibrio entre resistencia y tenacidad en secciones de mayor tamaño. En secciones pequeñas o en estado recocido, el acero 45# puede presentar una tenacidad comparable. - Ductilidad: el acero 45# recocido tiende a mostrar una elongación ligeramente mayor; el acero 40Cr después de tratamientos térmicos de alta resistencia será menos dúctil.
5. Soldabilidad
La soldabilidad depende del contenido de carbono, los elementos de aleación y el espesor (tendencia al endurecimiento). Índices de severidad útiles:
- Instituto Internacional de Equivalente de Carbono en Soldadura: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Parámetro de soldabilidad ustenítica (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: - 45#: Con C ≈ 0,45% y un contenido de aleación muy bajo, el $CE_{IIW}$ es moderado; se recomienda el precalentamiento y el enfriamiento controlado para secciones más gruesas para evitar el agrietamiento, pero la soldabilidad general es mejor que la de los aceros aleados de la misma dureza porque hay menos elementos que promueven la templabilidad. - 40Cr: El cromo incrementa las contribuciones de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ mediante el término $(Cr+Mo+V)$; por lo tanto, el 40Cr presenta una mayor tendencia a generar una zona afectada por el calor (ZAC) dura y martensítica en secciones más gruesas y, por lo general, requiere precalentamiento, control de temperatura entre pasadas o tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Se recomienda el uso de electrodos de bajo hidrógeno y procedimientos de soldadura controlados.
Recomendación: Para soldaduras críticas o secciones gruesas, elija procedimientos que tengan en cuenta la mayor templabilidad del 40Cr; para componentes pequeños o cuando la soldadura sea ocasional, el 45# es más fácil de soldar.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ni el acero 45# ni el 40Cr son inoxidables ni resistentes a la corrosión por su composición química. La resistencia a la corrosión es similar en el material base, salvo que presente alguna aleación específica (por ejemplo, mayor contenido de Cr o Mo).
- Medidas de protección habituales: pintura, aceitado, fosfatado y galvanizado para exposición atmosférica; chapado o recubrimientos para entornos de corrosión por desgaste. Para piezas de acero al 40Cr tratadas térmicamente, seleccione recubrimientos compatibles con el procesamiento posterior al tratamiento térmico.
- El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros no inoxidables; a modo de referencia: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ pero este índice solo es relevante para aleaciones inoxidables con contenido significativo de Cr, Mo y N.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: El acero 45# (1045) recocido se mecaniza razonablemente bien; un mayor contenido de carbono aumenta el desgaste de la herramienta al cortar material endurecido. El acero 40Cr tiende a ser más duro y puede ser más abrasivo para las herramientas una vez endurecido; en estado normalizado o recocido, el mecanizado es manejable.
- Conformabilidad/doblado: El acero 45# recocido es más conformable; el acero 40Cr en estado normalizado será menos dúctil que el acero 45# recocido y requiere radios de curvatura mayores, o precalentamiento para el conformado si está en estado endurecido.
- Acabado superficial: ambos materiales responden bien al rectificado, torneado y pulido cuando reciben el tratamiento térmico adecuado; la selección de las velocidades de corte y los materiales de las herramientas debe tener en cuenta la dureza y el templado.
8. Aplicaciones típicas
| 45# (usos típicos) | 40Cr (usos típicos) |
|---|---|
| Ejes, espárragos, pasadores y componentes de manivela para uso de baja a moderada exigencia. | Ejes, engranajes, cigüeñales, pasadores de alta resistencia y piezas en bruto para engranajes sometidos a cargas elevadas |
| Piezas mecanizadas en general donde se requiere una resistencia moderada y el coste es importante. | Piezas que requieren un endurecimiento más profundo y una mayor resistencia a la fatiga en secciones más grandes |
| Pernos y componentes brochados después del temple/revenido en secciones pequeñas | Componentes forjados, componentes cementados/templados para mayor resistencia al desgaste |
Justificación de la selección: - Elija 45# cuando el costo, la resistencia moderada y un tratamiento térmico o soldadura más sencillo sean prioridades y las secciones transversales sean pequeñas. - Elija 40Cr cuando se requiera mayor endurecimiento integral, mejor estabilidad de revenido y mayor capacidad de carga, especialmente para secciones transversales más grandes.
9. Costo y disponibilidad
- Coste: El acero 45# suele ser más económico por tonelada que el 40Cr debido a que no contiene elementos de aleación. El 40Cr tiene un precio superior por su contenido de cromo y por especificarse como acero aleado.
- Disponibilidad: Ambos grados se encuentran disponibles a nivel mundial en barras, placas, forjados y redondos. El acero 45# es común para uso general; el 40Cr se encuentra ampliamente disponible para aplicaciones de ingeniería y se ofrece comúnmente en condiciones normalizadas, templadas y revenidas, y forjadas.
- Plazos de entrega: Las barras y piezas forjadas métricas estándar están disponibles fácilmente; las composiciones químicas especiales o las piezas forjadas con tolerancias ajustadas pueden aumentar el plazo de entrega.
10. Resumen y recomendación
Tabla resumen (nivel cualitativo alto):
| Característica | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| soldabilidad | Bueno (con precalentamiento para secciones gruesas) | Más exigente (a menudo se necesita un precalentamiento/PWHT más elevado) |
| Resistencia-Tenacidad (post-HT) | Moderado | Mayor (mejor respuesta al endurecimiento y revenido) |
| Costo | Más bajo | Más alto |
Elija 45# si: - Necesitas un acero de carbono medio rentable para secciones transversales pequeñas a moderadas. - La facilidad de soldadura y la simplicidad de los procedimientos de tratamiento térmico son prioritarias. - Las aplicaciones requieren una resistencia razonable con buena maquinabilidad y conformabilidad (después de recocido o normalización).
Elige 40Cr si: - Se requiere una mayor templabilidad y una mayor resistencia/tenacidad después del temple y revenido, especialmente en secciones de mayor tamaño. - Las piezas están sujetas a mayores cargas de fatiga, a un servicio más exigente o requieren un núcleo más resistente con una superficie endurecida. - Usted está especificando componentes en los que un rendimiento predecible después del tratamiento térmico y una mejor resistencia al revenido son lo suficientemente importantes como para justificar un mayor coste del material.
Nota final: La selección final debe basarse en los objetivos mecánicos requeridos, el espesor de la sección, la capacidad de tratamiento térmico, los requisitos de soldadura y el coste total del ciclo de vida. En caso de duda, especifique las propiedades mecánicas y el estado del tratamiento térmico requeridos, en lugar de solo la calidad; un ingeniero de materiales podrá entonces seleccionar la calidad y el proceso más económicos para alcanzar dichos objetivos.