4Cr13 frente a 9Cr18: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros 4Cr13 y 9Cr18 son dos grados de acero inoxidable martensítico ampliamente utilizados tanto en China como a nivel internacional. Los ingenieros y profesionales de compras suelen enfrentarse al dilema de elegir entre ellos: equilibrar la resistencia al desgaste y la retención de filo (aceros con alto contenido de carbono y cromo) frente al coste, la tenacidad y la facilidad de fabricación (martensíticos con menor contenido de carbono). Entre los contextos típicos de decisión se incluyen componentes de cuchillas y herramientas, piezas de válvulas y bombas, componentes de desgaste para equipos industriales y aplicaciones donde se requiere una resistencia a la corrosión controlada con superficies endurecidas.

La principal diferencia técnica radica en que el 9Cr18 es un acero inoxidable martensítico con mayor contenido de carbono y cromo, optimizado para la dureza y la resistencia al desgaste, mientras que el 4Cr13 es un acero inoxidable martensítico con menor contenido de carbono que sacrifica algo de resistencia al desgaste a cambio de una mayor tenacidad, soldabilidad y menor coste del material. Estas características justifican la comparación habitual en el diseño y la fabricación, sobre todo cuando el desgaste superficial, la retención de filo y una resistencia moderada a la corrosión entran en conflicto con los requisitos de conformado, unión e impacto.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes y equivalentes a los que se hace referencia en la documentación comercial y de ingeniería internacional:
• GB/T (China): 4Cr13, 9Cr18 (designaciones de grado chinas)
• JIS/AISI/SAE: El 4Cr13 se considera a menudo similar a la familia AISI 420/420J2; el 9Cr18 se compara a menudo con el AISI 440C/9Cr (acero inoxidable martensítico de alto carbono) en función, aunque las composiciones exactas difieren según el estándar.
• EN/ASTM: No existe una denominación EN o ASTM que se ajuste perfectamente de forma directa; la equivalencia se suele manejar haciendo coincidir los requisitos químicos y mecánicos en lugar de una designación exacta.
• Clasificación:
• 4Cr13: Acero inoxidable martensítico (acero inoxidable para herramientas/martensítico estructural)
• 9Cr18: Acero inoxidable martensítico de alto carbono (acero inoxidable para herramientas/martensítico resistente al desgaste)

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra los rangos típicos de composición nominal utilizados en las fichas técnicas y los datos de los proveedores para estos grados. Los valores son indicativos y variarán según la norma o el proveedor; consulte las especificaciones de compra para conocer los límites contractuales.

Elemento	Rango típico — 4Cr13 (nominal)	Rango típico — 9Cr18 (nominal)
do	0,30–0,45 % en peso	0,80–1,05 % en peso
Minnesota	≤ 1,0–1,2 % en peso	≤ 1,0 % en peso
Si	≤ 1,0 % en peso	≤ 1,0 % en peso
PAG	≤ 0,03–0,04 % en peso	≤ 0,03–0,04 % en peso
S	≤ 0,03 % en peso	≤ 0,03 % en peso
Cr	12–14 % en peso	17–19 % en peso
Ni	típicamente rastrean	típicamente rastrean
Mes	usualmente trazas/ninguna	típicamente trazas/ninguna
V, Nb, Ti, B, N	Generalmente no se alea intencionalmente; pueden quedar pequeños residuos.	Generalmente no se alea intencionalmente; pueden quedar pequeños residuos.

Estrategia y efectos de la aleación: - Carbono: Elemento principal para la templabilidad y la formación de martensita. Un mayor contenido de carbono en el 9Cr18 aumenta la dureza alcanzable, la resistencia al desgaste y la fracción volumétrica de carburos; sin embargo, también incrementa la susceptibilidad a la fragilidad y al agrietamiento de la soldadura si no se controla adecuadamente. - Cromo: Proporciona resistencia a la corrosión y contribuye a la templabilidad. El mayor contenido de cromo del 9Cr18 mejora la resistencia general a la corrosión en comparación con el 4Cr13 y favorece la formación de carburos ricos en cromo más duros, lo que aumenta la resistencia al desgaste. - Manganeso y silicio: Desoxidantes y estabilizadores de austenita en pequeñas cantidades; un mayor contenido de Mn aumenta ligeramente la templabilidad. - Elementos de impureza (P, S): Se mantienen bajos para preservar la tenacidad y evitar la fragilidad; el S puede aumentarse intencionalmente un poco en variantes de fácil mecanizado, pero los tipos típicos 4Cr13/9Cr18 no son de alto contenido de sulfuro.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Las microestructuras típicas para ambos grados son martensíticas después de la austenización y el temple adecuados, pero la distribución de carburos y el contenido de carbono de la matriz difieren sustancialmente.

• 4Cr13:
• Tras el tratamiento de solubilización y el temple, se obtiene una matriz predominantemente martensítica con un volumen de carburos retenidos relativamente bajo. Los carburos son generalmente más pequeños y están más dispersos debido al menor contenido de carbono.
• El revenido reduce la fragilidad y produce martensita revenida; la dureza alcanzable es moderada y puede ajustarse para lograr un equilibrio entre tenacidad y resistencia.

• La normalización proporciona una estructura más uniforme para el mecanizado o acabado posterior.

• 9Cr18:

• Tras la austenización y el temple, es típica la martensita con una mayor fracción de carburos de cromo (M23C6 y otros carburos ricos en Cr) debido a su alto contenido en carbono y cromo. Las redes de carburos o las partículas de mayor tamaño aumentan la resistencia al desgaste, pero reducen la tenacidad.
• El revenido reduce las tensiones internas y ajusta la dureza, pero un revenido excesivo puede ablandar los carburos y reducir la resistencia al desgaste.
• Para lograr propiedades óptimas se requiere un control más preciso de la temperatura y el tiempo de austenización para controlar la disolución y distribución de los carburos.

Efectos del procesamiento: - La normalización/refinamiento del tamaño del grano es útil para ambos grados antes del tratamiento térmico final. - El medio de enfriamiento, el espesor de la sección y la temperatura de austenización influyen fuertemente en la austenita retenida y la dureza; esto es particularmente crítico en el 9Cr18 debido a su alta templabilidad. - En ocasiones, se utilizan tratamientos criogénicos en aceros inoxidables martensíticos de alto carbono (como los análogos 9Cr18) para reducir la austenita retenida y estabilizar la dureza.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas reportadas dependen en gran medida del tratamiento térmico, la temperatura de revenido y la forma del producto. La siguiente tabla proporciona rangos indicativos para las condiciones de tratamiento térmico comúnmente especificadas (templado y revenido). Los valores son ilustrativos; especifique los requisitos exactos de las propiedades posteriores al tratamiento térmico en los documentos de adquisición.

Propiedad	4Cr13 — típico (templado y revenido)	9Cr18 — típico (templado y revenido)
Resistencia a la tracción (MPa)	~600–1200 MPa (dependiendo de las condiciones)	~800–1600 MPa (dependiendo de las condiciones)
Límite elástico (0,2% de deformación, MPa)	~400–900 MPa	~600–1400 MPa
Alargamiento (%)	~8–20%	~5–15%
Resistencia al impacto (J, con muesca)	Moderado; superior a 9Cr18 para una dureza comparable.	Menor, particularmente a niveles de dureza altos
Dureza (HRC)	Dureza Rockwell C de aproximadamente 40 a 56 HRC (dependiendo del temple).	~55–64 HRC (dureza máxima alcanzable)

Interpretación: - Resistencia y dureza: El 9Cr18 puede endurecerse a niveles más altos de dureza y resistencia a la tracción debido a su mayor contenido de carbono y carburos de cromo abrasivos; por lo tanto, es superior para componentes críticos sometidos a desgaste. - Tenacidad y ductilidad: El 4Cr13 generalmente proporciona mejor tenacidad y elongación a un nivel de dureza dado debido a su menor contenido de carbono y carburo. - La disyuntiva es clásica: el 9Cr18 favorece la retención del filo y el desgaste; el 4Cr13 favorece la tenacidad y un procesamiento posterior más sencillo.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está determinada por el equivalente de carbono y el contenido de aleación, factores que favorecen la templabilidad y la formación de martensita en la zona afectada por el calor (ZAC). Dos expresiones predictivas de uso común son:

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

y

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

Interpretación cualitativa: - El alto contenido de carbono y cromo del 9Cr18 produce un mayor equivalente de carbono y $P_{cm}$, lo que indica una mayor propensión al agrietamiento en frío, una ZAT martensítica dura y la necesidad de precalentamiento, temperatura entre pasadas controlada y tratamiento térmico posterior a la soldadura para templar la martensita de la ZAT. El acero 4Cr13, con menor contenido de carbono, suele presentar menor efecto de cizallamiento y mejor soldabilidad; sin embargo, sigue siendo un acero inoxidable martensítico y puede requerir precalentamiento y revenido tras la soldadura en secciones gruesas para evitar el agrietamiento en la zona afectada por el calor. Se recomienda el uso de electrodos de bajo hidrógeno y un aporte térmico controlado para ambos grados.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el 4Cr13 como el 9Cr18 se clasifican como aceros inoxidables martensíticos y obtienen su resistencia a la corrosión principalmente de su contenido de cromo. No son tan resistentes a la corrosión como los aceros inoxidables austeníticos (por ejemplo, 304/316) o los aceros dúplex en ambientes ricos en cloruros o altamente oxidantes.
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Corrosión por Picaduras) se utiliza a menudo para comparar la resistencia a la corrosión localizada:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• En estas calidades, el Mo y el N suelen estar ausentes o en bajas concentraciones, por lo que el PREN depende principalmente del Cr. El mayor contenido de cromo de la aleación 9Cr18 produce, en teoría, un PREN superior al de la aleación 4Cr13, lo que implica una resistencia a la corrosión por picaduras ligeramente mejor en ambientes neutros o ligeramente corrosivos. Sin embargo, ninguna de las dos calidades está diseñada para entornos marinos severos o con cloruros sin protección superficial.
• Cuando la resistencia a la corrosión es insuficiente, se aplica la protección superficial convencional:
• Pasivación (ácido nítrico o cítrico) para restaurar la película pasiva después del mecanizado.
• Recubrimientos como el electrochapado o el PVD para superficies deslizantes/de desgaste, o pinturas protectoras, según corresponda.
• El galvanizado generalmente no se aplica a sustratos de acero inoxidable para mejorar la resistencia a la corrosión y puede no adherirse bien; se prefieren el acabado superficial y la pasivación.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• La aleación 4Cr13 generalmente se mecaniza con mayor facilidad que la 9Cr18 debido a su menor dureza en estado recocido/normalizado y a su menor contenido de carburos. Si bien pueden existir variantes de fácil mecanizado, la aleación 4Cr13 estándar no lo es.
• El 9Cr18, con mayor contenido de carbono y carburos duros, aumenta el desgaste de la herramienta y puede requerir herramientas de carburo, avances más lentos y estrategias controladas de formación de virutas.
• Formabilidad:
• Ambos son aceros inoxidables martensíticos y presentan una conformabilidad en frío limitada en estado endurecido. El conformado es más sencillo en estado recocido o normalizado antes del temple y revenido final.
• Acabado superficial:
• El pulido y el rectificado son comunes para ambos; el 9Cr18 a menudo requiere abrasivos más agresivos y consideraciones sobre la vida útil de la herramienta.

8. Aplicaciones típicas

4Cr13 — Usos comunes	9Cr18 — Usos comunes
Hojas de cuchillo para aplicaciones que requieren buena tenacidad y una resistencia razonable a la corrosión (hojas de menor costo, cuchillos multiusos).	Hojas de cuchillo y cubertería que requieren mayor retención de filo y resistencia al desgaste (hojas de alta calidad con retención de filo).
Componentes de válvulas, ejes de bombas y tornillería que requieren una resistencia moderada a la corrosión con buena tenacidad.	Componentes de rodamientos y piezas de desgaste que requieren alta dureza y resistencia a la abrasión
Piezas endurecidas de uso general (acoplamientos, componentes estructurales pequeños)	Instrumentos médicos y quirúrgicos (limitado a ciertos instrumentos donde se necesita una alta dureza y se aplica una pasivación superficial)
Componentes decorativos y de ingeniería que requieren acabado posterior y soldadura.	Herramientas para trabajo en frío y componentes de herramientas pequeñas con altas exigencias de desgaste

Justificación de la selección: - Elija 4Cr13 para piezas que requieran una combinación de tenacidad, resistencia a la corrosión razonable y menor costo, o donde la soldadura y el conformado sean frecuentes. - Elija 9Cr18 para piezas que prioricen la dureza, la resistencia a la abrasión y la retención de filos, aceptando un mayor costo de mecanizado y controles de tratamiento térmico/soldadura más estrictos.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El 9Cr18 suele ser más caro por kilogramo que el 4Cr13 debido a su mayor contenido de cromo y carbono y a un tratamiento térmico más exigente para lograr una alta dureza.
• Los costes de procesamiento (endurecimiento, rectificado, desgaste de las herramientas) para el 9Cr18 también son más elevados.
• Disponibilidad:
• Ambos grados están ampliamente disponibles en formas de producto comunes (barra, lámina, tira, placa, forjados), pero los tamaños específicos, los acabados superficiales y las barras tratadas térmicamente con tolerancias ajustadas pueden ser menos comunes para 9Cr18 y se almacenan más en proveedores especializados.
• Para adquisiciones de gran volumen, las variantes 4Cr13 suelen ser más fáciles de obtener de múltiples fábricas; el 9Cr18 puede requerir trabajar con proveedores de acero inoxidable para herramientas especializados para ciertas formas de producto.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Atributo	4Cr13	9Cr18
Soldabilidad	De bueno a moderado; menor riesgo que el 9Cr18	De moderado a deficiente; mayores necesidades de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Resistencia moderada; mayor tenacidad y ductilidad	Mayor resistencia y dureza; menor tenacidad.
Costo	Menor costo de materiales y procesamiento	Mayor costo de materiales y procesamiento

Recomendaciones: - Elija 4Cr13 si: - Necesitas un acero inoxidable martensítico razonablemente resistente a la corrosión, con mayor tenacidad y menor coste total. - Los trabajos de soldadura, conformado o postfabricación son frecuentes o críticos. - Las condiciones de servicio incluyen cargas de impacto moderadas o situaciones en las que una falla frágil catastrófica sería inaceptable.

• Elija 9Cr18 si:
• La alta dureza, la resistencia al desgaste y la retención del filo son los principales factores que impulsan el diseño.
• Se pueden controlar el tratamiento térmico, los procesos de mecanizado y los procedimientos de soldadura (o evitar la soldadura por diseño).
• La aplicación tolera una menor resistencia al impacto y un mayor coste de procesamiento a cambio de una mayor vida útil o un mejor rendimiento de corte.

Nota final: Ambos grados son aceros inoxidables martensíticos y su rendimiento en servicio depende en gran medida de la composición precisa, el espesor de la sección y un tratamiento térmico cuidadosamente controlado. Para las especificaciones de adquisición e ingeniería, defina explícitamente los objetivos de dureza/tenacidad requeridos, los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura y las expectativas de corrosión para garantizar que los proveedores entreguen material acondicionado para la aplicación prevista.