50CrV4 frente a 51CrV4: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros 50CrV4 y 51CrV4 son aceros aleados para muelles con designación europea y estrechamente relacionados, comúnmente especificados para muelles y componentes de ingeniería de resistencia media a alta. Los responsables de compras, los ingenieros de diseño y los planificadores de producción a menudo deben elegir entre ellos al equilibrar la resistencia, la tenacidad, la conformabilidad y los procesos posteriores, como la soldadura, el tratamiento térmico y el acabado superficial.

La principal diferencia entre estos dos grados es pequeña pero significativa: el 51CrV4 tiene un contenido de carbono efectivo/templabilidad ligeramente superior al del 50CrV4, lo que resulta en una dureza y resistencia marginalmente mayores tras el temple y revenido con tratamientos comparables. Dado que ambos pertenecen a la misma familia de aceros para muelles al cromo-vanadio, se comparan con frecuencia cuando pequeñas variaciones en las propiedades mecánicas, la templabilidad o el coste influyen en la decisión final de diseño.

1. Normas y designaciones

• Las normas típicas que hacen referencia a estos aceros incluyen las designaciones de familia europeas/EN y las normas nacionales derivadas de las especificaciones EN para aceros de muelles. En la documentación del proveedor pueden existir referencias nacionales o regionales equivalentes (por ejemplo, algunos códigos JIS, GB o DIN antiguos).
• Clasificación por tipo:
• Tanto el 50CrV4 como el 51CrV4 son aceros al carbono aleados para muelles que se utilizan para componentes elásticos y de carga (no son aceros inoxidables, ni HSLA en el sentido moderno).
• Se utilizan comúnmente en aplicaciones de ingeniería de resortes y ejes y, por lo tanto, se incluyen dentro de la categoría de "acero aleado para resortes" en los catálogos de selección de materiales.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: resumen cualitativo de la composición (para que ingenieros/compras comparen las funciones de los elementos). Los límites exactos varían según la norma y el proveedor; consulte los certificados de fábrica para las compras.

Elemento	50CrV4 (función típica)	51CrV4 (función típica)
C (Carbono)	De dureza media a alta: principal contribuyente a la resistencia/templado; diseñado para el templado de resortes.	Ligeramente superior a 50CrV4: aumenta la templabilidad y la dureza de temple alcanzable.
Mn (manganeso)	Moderado: favorece la templabilidad y la resistencia a la tracción.	Similar al 50CrV4; contribuye a la endurecimiento.
Si (silicio)	Moderado: aporte desoxidante y fortalecedor.	Nivel similar; ayuda a templar la resistencia y la fuerza.
P (Fósforo)	Impureza residual (mantenida baja).	Nivel de impurezas bajo y controlado.
S (Azufre)	Residual (mantenido de bajo a moderado para facilitar el mecanizado).	Similar; se prefieren niveles bajos.
Cr (Cromo)	Elemento de aleación (aproximadamente el 1%): aumenta la templabilidad, la resistencia al desgaste y la resistencia al revenido.	Contenido de Cr similar; se utiliza para obtener propiedades de resorte.
Ni (níquel)	Generalmente mínimo o inexistente.	Generalmente mínimo o inexistente.
Mo (Molibdeno)	A menudo muy bajo o ausente en la calidad estándar.	Generalmente ausente o en trazas.
V (Vanadio)	Microaleación (de pequeñas cantidades de ppm a porcentajes bajos) para el refinamiento del grano y el endurecimiento secundario.	Contenido similar de bajo contenido de vanadio; favorece la resistencia y la tenacidad.
Nb, Ti, B	Traza o no aplicable; puede utilizarse en fusiones especiales.	Rastreo o no aplicable.
N (Nitrógeno)	Residual controlado; no es un elemento de aleación primario.	Residual controlado.

Cómo afecta la aleación a las propiedades - Carbono: determinante principal de la resistencia y la templabilidad; pequeños aumentos incrementan la dureza máxima pero reducen la soldabilidad y la ductilidad. - Cromo y vanadio: mejoran la templabilidad, la resistencia al revenido y la resistencia al desgaste; el vanadio refina el tamaño del grano, mejorando la tenacidad. - Manganeso y silicio: ayudan en la desoxidación y el fortalecimiento, e influyen en el endurecimiento después del tratamiento térmico. - Los elementos traza de microaleación (V, Nb, Ti) ayudan a controlar el crecimiento del grano durante el procesamiento a alta temperatura y pueden mejorar la tenacidad después del revenido.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

microestructuras típicas - En estado normalizado o recocido: ferrita más perlita con carburos pequeños y carburos o carbonitruros de vanadio finamente dispersos (si los hubiera). - Después del temple y revenido: martensita revenida con carburos retenidos y posiblemente carburos de aleación finos (Cr, V) que proporcionan endurecimiento secundario y resistencia al revenido. - El 51CrV4, con un contenido de carbono/templabilidad ligeramente superior, producirá una mayor fracción de martensita bajo la misma severidad de temple en comparación con el 50CrV4 para la misma sección transversal.

Rutas de tratamiento térmico y respuesta relativa - Normalización: refina el tamaño del grano y produce una microestructura homogénea de ferrita-perlita; ambos grados responden de manera similar, aunque el 51CrV4 puede requerir un enfriamiento ligeramente diferente para evitar una dureza excesiva en secciones más grandes. - Temple y revenido (más común para muelles): - La temperatura de endurecimiento (austenización) y el tiempo de permanencia se eligen para disolver los carburos y homogeneizar la composición. La severidad del temple (en aceite, en polímero o con aire caliente, según el tamaño de la sección) determina la fracción martensítica final. El acero 51CrV4 suele requerir un temple ligeramente menos severo para alcanzar una dureza determinada debido a su mayor templabilidad. - El revenido logra un equilibrio entre resistencia y tenacidad; ambos grados responden de manera predecible, pero el 51CrV4 alcanza una meseta de dureza más alta en condiciones de revenido comparables. - El procesamiento termomecánico (laminación controlada/enfriamiento acelerado) es menos común para estos aceros para muelles, pero puede utilizarse para refinar la microestructura y mejorar la vida a fatiga.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: comparación cualitativa (los valores exactos dependen del tratamiento térmico y la forma del producto; consulte los informes de pruebas de la fábrica).

Propiedad	50CrV4	51CrV4	Interpretación
Resistencia a la tracción	Alto (típico del acero para muelles templado y revenido)	Ligeramente superior (con temple/revenido equivalente)	En general, el 51CrV4 proporciona un aumento marginal de la resistencia a la tracción debido a una mayor capacidad de endurecimiento por compresión.
Resistencia a la fluencia	Alto	Un poco más alto	Misma tendencia que la tracción.
Alargamiento (%)	Moderado (equilibrio entre resistencia y ductilidad)	Ligeramente más bajo	Un mayor contenido de carbono reduce ligeramente la ductilidad.
Dureza al impacto	Ideal para acero de muelles cuando está correctamente templado.	Ligeramente reducido en comparación con el 50CrV4 con el mismo nivel de resistencia.	La tenacidad depende del tratamiento térmico y del tamaño de la sección; el acero 51CrV4 puede requerir ajustes de temple.
Dureza (HRC/HV)	Alta dureza alcanzable tras el tratamiento térmico.	Dureza ligeramente superior alcanzable	El acero 51CrV4 permite una mayor dureza tras el temple o una dureza similar con un temple menos severo.

¿Por qué se producen estas diferencias? Pequeños incrementos en el contenido de carbono y la templabilidad efectiva permiten una mayor fracción martensítica tras el temple, lo que aumenta la resistencia y la dureza. Sin embargo, un mayor contenido de carbono incrementa la susceptibilidad a la fisuración durante la soldadura y puede reducir ligeramente la tenacidad y la ductilidad, a menos que se realice un revenido adecuado.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende en gran medida del equivalente de carbono y de las adiciones de aleación que aumentan la templabilidad.

Fórmulas representativas de equivalencia de carbono que utilizan los ingenieros: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ - Fórmula internacional BSI/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 Ambos grados tienen un contenido moderado de carbono y aleación; sus valores CE/Pcm estarán en un rango que requiere precalentamiento y temperaturas controladas entre pasadas para la soldadura, a fin de evitar el agrietamiento en frío en la ZAT (zona afectada por el calor). - El acero 51CrV4, con un contenido de carbono/templabilidad ligeramente superior, mostrará un CE/Pcm más alto y, por lo tanto, una soldabilidad menos favorable: mayores riesgos de precalentamiento y revenido posterior a la soldadura, y procedimientos de soldadura más estrictos. - Medidas de mitigación: minimizar la restricción, utilizar consumibles de bajo hidrógeno, precalentar en función del espesor de la sección y el CE, y considerar el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) o evitar las soldaduras en secciones de resortes sometidas a altas tensiones.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el 50CrV4 ni el 51CrV4 son aceros inoxidables; su resistencia a la corrosión es similar a la de los aceros al carbono y, en general, modesta.
• Métodos de protección típicos:
• Mecánica: pintura, recubrimiento en polvo.
• Recubrimientos metálicos: galvanizado en caliente, electrochapado de zinc o recubrimientos de conversión, según la aplicación y la sensibilidad a la fatiga.
• La pasivación no es aplicable como en el caso de los aceros inoxidables.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) es específico de las aleaciones inoxidables y no es aplicable a estos aceros para muelles que no son inoxidables: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Nota: la galvanización o los recubrimientos pueden modificar el comportamiento a la fatiga; considere los efectos del espesor del recubrimiento y la fragilización por hidrógeno en superficies templadas y revenidas de alta resistencia.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: En estado recocido, ambas calidades se mecanizan de forma similar; el mayor contenido de carbono (51CrV4) puede hacer que el mecanizado sea ligeramente más abrasivo para las herramientas en condiciones de mayor dureza. La maquinabilidad mejora en los estados recocido/normalizado y se deteriora a medida que aumenta la dureza tras el temple.
• Conformabilidad y doblado en frío: Mejor en estado recocido/normalizado. El 50CrV4 ofrece una conformabilidad ligeramente superior debido a su menor resistencia/templabilidad; el 51CrV4 requiere un control de deformación más preciso o recocidos intermedios.
• Acabado superficial: Ambos tipos de acero admiten acabados típicos (rectificado, granallado para mejorar la resistencia a la fatiga). El acero 51CrV4, más duro tras el tratamiento térmico, puede requerir un rectificado más agresivo y una mayor consideración del desgaste de las herramientas.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: Usos típicos (dos columnas).

50CrV4 — Usos típicos	51CrV4 — Usos típicos
Muelles helicoidales y de ballesta para automóviles donde se requiere un equilibrio entre resistencia y vida útil a la fatiga	Muelles y ejes de alto rendimiento donde se prioriza la máxima resistencia por sección.
Barras de torsión, componentes de suspensión de servicio mediano	Muelles de alta resistencia en aplicaciones de sección transversal limitada donde se requiere mayor dureza
Ejes, árboles pequeños y muelles mecánicos en general	Componentes que requieren una resistencia ligeramente superior o donde el tratamiento térmico puede controlarse con precisión.
Herramientas de fabricación que requieren características de resorte con buena tenacidad.	Muelles especializados para maquinaria todoterreno o automovilismo, donde una resistencia ligeramente superior justifica controles de soldadura más estrictos.

Justificación de la selección - Elija 50CrV4 cuando la tenacidad, la soldabilidad y la facilidad de conformado sean prioridades y cuando una resistencia ligeramente inferior sea aceptable. - Elija 51CrV4 cuando el diseño requiera una dureza templada o una resistencia a la tracción ligeramente superiores para la misma geometría y cuando la producción pueda controlar los procedimientos de tratamiento térmico y soldadura.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: Debido a la similitud de sus composiciones y a que ambos son grados comunes de acero para muelles en Europa, las diferencias en el coste base del material suelen ser mínimas. El acero 51CrV4 puede tener un precio ligeramente superior debido a un control más estricto o a la demanda en mercados específicos.
• Disponibilidad: Ambos grados se encuentran disponibles habitualmente en forma de barras, alambre, forjados y flejes en catálogos de proveedores de toda Europa y en distribuidores internacionales de acero. La disponibilidad según el formato del producto puede variar según la acería; se recomienda especificar las piezas con plazos de entrega largos o con tratamiento térmico personalizado al inicio del proceso de compra.
• Nota de compras: Especifique el estándar exacto, el estado de tratamiento térmico requerido, la dureza y el certificado de prueba de fábrica para evitar discrepancias.

10. Resumen y recomendación

Tabla: comparación concisa

Atributo	50CrV4	51CrV4
Soldabilidad	Mejor (menor CE)	Ligeramente más pobre (mayor CE)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Buena tenacidad a alta resistencia	Resistencia ligeramente superior; tenacidad moderadamente reducida con el mismo temple.
Costo	Generalmente más bajas o similares	Prima similar o ligeramente superior

Recomendación - Elija 50CrV4 si: - Para aplicaciones donde la vida útil a la fatiga y la reparabilidad son importantes, se necesita un acero para muelles bien equilibrado, con mejor soldabilidad y una ductilidad/tenacidad ligeramente superior. - La conformabilidad y la reducción del riesgo durante la soldadura/ensamblaje son prioritarias. - Elija 51CrV4 si: - Se requiere una resistencia ligeramente superior tras el temple y revenido o una dureza máxima en una sección transversal determinada, y se puede controlar los procesos de temple, revenido y soldadura. La aplicación exige secciones más pequeñas o una mayor capacidad de resistencia, y el entorno de producción requiere procedimientos de tratamiento térmico y soldadura más estrictos.

Nota final para ingenieros y adquisiciones La diferencia práctica entre estos grados es intencionadamente pequeña. La elección correcta depende del contexto completo de fabricación y servicio: geometría de la pieza y tamaño de la sección (que afectan a la templabilidad y al temple), vida útil a fatiga requerida, capacidad del procedimiento de soldadura y la viabilidad del tratamiento térmico posterior a la soldadura. Siempre especifique las propiedades mecánicas requeridas, el estado del tratamiento térmico y las pruebas de aceptación en las órdenes de compra, y solicite los certificados de fábrica para verificar la conformidad química y mecánica.