50CrV4 frente a 55Cr3: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Al diseñar componentes estructurales, ejes, resortes o piezas de desgaste, los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción se enfrentan habitualmente a la decisión de elegir entre aceros al cromo de carbono medio. Esta decisión suele implicar un equilibrio entre resistencia y templabilidad frente a tenacidad, soldabilidad y costo; factores que influyen en los procesos posteriores, la inspección y el rendimiento durante el ciclo de vida.

La principal diferencia técnica entre ambos grados radica en su estrategia de aleación: el 50CrV4 es un acero al carbono medio aleado con cromo y vanadio, formulado para mejorar su templabilidad y tenacidad, mientras que el 55Cr3 es un acero al cromo con mayor contenido de carbono que prioriza la dureza y la resistencia al desgaste con una aleación más simple. Esta diferencia explica por qué estos aceros se comparan frecuentemente para aplicaciones donde la respuesta al tratamiento térmico y la resistencia a la fractura son tan importantes como la dureza y el coste.

1. Normas y designaciones

• 50CrV4
• Designaciones regionales comunes: estilo EN/DIN (a menudo denominado 50CrV4 en la práctica europea), a veces alineado con la familia DIN 1.8159. Existen grados equivalentes o similares en las listas nacionales.
• Clasificación: acero aleado de cromo-vanadio de carbono medio (acero aleado para aplicaciones de ingeniería).

• Formas típicas de productos que se incluyen: barras, componentes templados y revenidos, muelles, ejes.

• 55Cr3

• Designaciones regionales comunes: ampliamente utilizadas en listas comerciales europeas y algunas internacionales como 55Cr3 (o nombres numéricos/químicos similares en normas nacionales).
• Clasificación: acero al cromo de carbono medio-alto (acero al carbono-cromo; a menudo tratado como un híbrido de carbono/aleación).
• Formas típicas del producto: barras y material en bruto destinados al endurecimiento, laminación de piezas y elementos de desgaste.

Nota: Los números estándar exactos y las referencias cruzadas pueden variar según el país y la forma del producto; se recomienda consultar la lista EN/DIN/JIS/GB/ASTM aplicable para las especificaciones de adquisición finales.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra rangos de composición típicos y representativos (aproximados) utilizados para comparaciones de ingeniería. El material suministrado deberá especificarse según la norma correspondiente y el certificado de fábrica.

Elemento	50CrV4 (rango típico, % en peso)	55Cr3 (rango típico, % en peso)
do	0,47–0,55	0,52–0,60
Minnesota	0,60–1,00	0,50–1,00
Si	0,15–0,40	0,15–0,40
PAG	≤0,035 (máx.)	≤0,035 (máx.)
S	≤0,035 (máx.)	≤0,035 (máx.)
Cr	0,90–1,20	0,80–1,10
Ni	≤0,30	≤0,30
Mes	≤0.10	≤0.10
V	0,08–0,20	≤0,05 (a menudo no se añade intencionadamente)
Nb, Ti, B	traza/controlado (si está presente)	traza/controlado (si está presente)
norte	rastro	rastro

Cómo afecta la aleación a las propiedades - Carbono: productor primario de templabilidad y resistencia a través de la formación de martensita después del temple; un mayor contenido de carbono (55Cr3) aumenta la dureza y la resistencia al desgaste alcanzables, pero reduce la ductilidad y la soldabilidad. - Cromo: aumenta la templabilidad, la resistencia a temperaturas elevadas y cierta resistencia a la corrosión en comparación con el acero al carbono simple; ambos grados contienen Cr en cantidades modestas similares. - Vanadio: presente deliberadamente en 50CrV4 para refinar el tamaño del grano, mejorar la templabilidad y la resistencia al revenido; la microaleación con vanadio mejora la tenacidad y la resistencia al ablandamiento a temperaturas de revenido. - Manganeso y silicio: desoxidación y contribución a la templabilidad y resistencia. - Oligoelementos: el fósforo, el azufre y los elementos de microaleación controlados influyen en la maquinabilidad y el control de inclusiones.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas y respuesta al tratamiento térmico:

• 50CrV4
• Laminado en caliente/normalizado: ferrita-perlita/bainita templada dependiendo del enfriamiento; tamaño de grano más fino debido al anclaje de los límites de grano inducido por V.
• Temple y revenido: se puede lograr una alta fracción de martensita con buena templabilidad para secciones transversales medias; la respuesta al revenido mejora con vanadio, lo que proporciona una mejor combinación de resistencia y tenacidad con una dureza comparable.
• Normalización: produce estructuras perlíticas finas para el mecanizado y una resistencia moderada.

• Procesamiento termomecánico: la deformación controlada más la normalización pueden refinar el grano de austenita previo y mejorar la tenacidad.

• 55Cr3

• Laminado/normalizado: microestructura de perlita/ferrita más gruesa; mayor contenido de carbono conduce a una mayor fracción de perlita en las estructuras de equilibrio.
• Temple y revenido: puede lograr una dureza mayor en estado de temple que las aleaciones con menor contenido de carbono en secciones delgadas, pero puede presentar menor tenacidad en secciones más gruesas debido a un mayor contenido de carbono y un menor contenido de microaleación.
• Templado: buena retención de dureza, pero el rango de templado debe seleccionarse para equilibrar la resistencia retenida y la tenacidad al impacto.

Implicación práctica: el 50CrV4 ofrece mejores relaciones templabilidad/tenacidad en componentes de tamaño mediano; el 55Cr3 es eficiente cuando se desea una mayor dureza transversal o resistencia al desgaste en secciones pequeñas y el costo es una prioridad.

4. Propiedades mecánicas

Los rangos representativos de propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico. La tabla siguiente presenta rangos típicos, utilizados en la industria, para condiciones de temple y revenido o endurecimiento (los rangos son indicativos; especifique los valores en los documentos de adquisición).

Propiedad	50CrV4 (típico, Q&T)	55Cr3 (típico, Q&T)
Resistencia a la tracción (MPa)	~800–1400 (dependiendo del templado)	~850–1500 (dependiendo del templado)
Límite elástico (MPa)	~600–1200	~650–1200
Alargamiento (%)	8–18 (mejor ductilidad con resistencia equivalente)	5–15 (generalmente más bajo debido a un mayor contenido de C)
Resistencia al impacto (J, Charpy)	Mayor dureza comparable debido al vanadio y al grano refinado.	Menor dureza comparable; más sensible a la sección y al tratamiento térmico.
Dureza (HRC)	~30–60 (dependiendo del proceso)	~35–62 (dureza alcanzable superior)

¿Cuál es más fuerte, más resistente o más dúctil, y por qué? - Resistencia/dureza: El 55Cr3 puede alcanzar una dureza ligeramente superior para un ciclo de temple y revenido determinado debido a su mayor contenido de carbono; sin embargo, las diferencias dependen del proceso y de la sección. - Tenacidad y ductilidad: El 50CrV4 generalmente proporciona una tenacidad y ductilidad superiores a niveles de resistencia comparables debido a los efectos refinadores de grano y formadores de carburos del vanadio y un contenido de carbono ligeramente inferior. - Conclusión práctica: Para componentes donde la resistencia al impacto y la tenacidad a la fractura son críticas, a menudo se prefiere el 50CrV4; para piezas de alta dureza expuestas al desgaste donde el costo es importante, el 55Cr3 puede ser atractivo.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del contenido de carbono, el equivalente de carbono y la microaleación.

Fórmulas útiles de equivalencia de carbono (se recomienda su uso cualitativo): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Un índice más detallado de susceptibilidad al agrietamiento por frío: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación - 50CrV4: El vanadio y el cromo aumentan el término de aleación en las fórmulas de carbono equivalente, incrementando la templabilidad y, por lo tanto, el potencial de formación de martensita en la zona afectada por el calor (ZAC) y de fisuración en frío al soldar sin precalentamiento. Sin embargo, su contenido de carbono ligeramente menor y su mayor tenacidad pueden mitigar el riesgo; el precalentamiento, el control de la temperatura entre pasadas y el revenido posterior a la soldadura son medidas de control habituales. - 55Cr3: Su mayor contenido de carbono eleva tanto el $CE_{IIW}$ como el $P_{cm}$, principalmente a través del término $C$, lo que hace que el precalentamiento y los procedimientos de soldadura controlados sean importantes para prevenir el agrietamiento en la ZAT. El 55Cr3 puede ser menos tolerante a la soldadura que los aceros de bajo carbono, y a menudo se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura para aplicaciones críticas.

Recomendaciones cualitativas: ambos grados requieren controles de soldadura (precalentamiento, consumibles con bajo contenido de hidrógeno, temperatura controlada entre pasadas). Para fabricaciones que requieran soldadura extensa, considere alternativas con menor contenido de carbono o diseñe para minimizar las juntas soldadas.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el 50CrV4 ni el 55Cr3 son inoxidables; su resistencia a la corrosión es similar a la de otros aceros al carbono de baja aleación y está principalmente determinada por el acabado superficial y los recubrimientos protectores.
• Opciones de protección típicas: galvanizado en caliente (para ambientes de corrosión moderada), electrodeposición, pintura con preparación de superficie adecuada, aceitado o aplicación de recubrimientos resistentes a la corrosión.
• Cuando se requiere resistencia a la corrosión tipo acero inoxidable, ninguno de los dos grados es adecuado sin revestimiento o chapado.

Fórmula PREN (equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) para aleaciones inoxidables (a modo de referencia): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Nota: El PREN no es aplicable a estos aceros no inoxidables, ya que sus niveles de cromo están muy por debajo de los umbrales de acero inoxidable y el molibdeno/nitrógeno son insignificantes.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad
• 55Cr3: un mayor contenido de carbono aumenta la dureza y reduce la facilidad de mecanizado en condiciones endurecidas; en condiciones normalizadas o recocidas, la maquinabilidad es aceptable, pero el desgaste de la herramienta puede ser mayor.
• 50CrV4: Los carburos de vanadio pueden aumentar el desgaste de la herramienta en mecanizados de materiales duros; sin embargo, su mayor tenacidad en condiciones más blandas mejora el control de la viruta. Las diferencias generales en la maquinabilidad son moderadas; se recomienda el mecanizado en estado recocido.
• conformabilidad y doblado
• Ambos grados se conformarán y doblarán satisfactoriamente en estado recocido o normalizado; la conformabilidad disminuye después del endurecimiento.
• El acero 50CrV4 generalmente tolera mejor el conformado en frío debido a su menor contenido de carbono y a las ventajas de tenacidad relacionadas con el vanadio.
• Acabado de superficies
• El rectificado, el pulido y el granallado son procesos rutinarios para ambos grados; los parámetros del proceso deben tener en cuenta los rangos de dureza.
• Práctica recomendada: solicitar un estado de laminación adecuado (recocido/normalizado) para el conformado y mecanizado; realizar un tratamiento térmico final después del mecanizado cuando el control dimensional sea crítico.

8. Aplicaciones típicas

50CrV4 (usos)	55Cr3 (usos)
Ejes y árboles donde se requiere tenacidad y resistencia a la fatiga	Componentes pequeños de desgaste, pasadores y herramientas donde una mayor dureza resulta beneficiosa
Muelles y pasadores elásticos donde la resistencia y la estabilidad del temple son importantes	Piezas trabajadas en frío y endurecidas para mayor resistencia al desgaste
Componentes estructurales templados y revenidos sometidos a carga de impacto	Piezas en las que se prioriza la alta dureza superficial y la resistencia al desgaste sobre la tenacidad a la fractura.
Engranajes y bielas cuando se necesita un equilibrio entre resistencia y robustez	Pasadores, punzones y matrices endurecidos simples (no inoxidables) donde el costo importa

Justificación de la selección: elija 50CrV4 cuando la aplicación requiera un equilibrio óptimo entre templabilidad y resistencia al impacto (secciones medianas, carga dinámica). Elija 55Cr3 cuando el objetivo principal sea maximizar la dureza tras el temple y la resistencia al desgaste en secciones transversales pequeñas, y cuando resulte atractivo un menor coste del material.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El acero 55Cr3 suele ser ligeramente más económico por kilogramo que el 50CrV4 debido a su composición química más simple (sin vanadio) y a un procesamiento más sencillo. Los precios de mercado fluctúan en función de los elementos de aleación y los márgenes de las acerías.
• Disponibilidad: Ambos grados son comunes en el comercio europeo e internacional, sobre todo en forma de barras y piezas en bruto. El 50CrV4 se suele especificar para componentes OEM que requieren tenacidad certificada; el 55Cr3 es habitual para piezas endurecidas de uso general.
• Formas de producto: las formas típicas que se mantienen en stock son barras, varillas y piezas en bruto; los componentes forjados o tratados térmicamente son suministrados por fabricantes subcontratados.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa)

Atributo	50CrV4	55Cr3
Soldabilidad	Una mayor tenacidad ayuda, pero la aleación aumenta la CE (moderada; requiere controles).	Menor ductilidad + mayor C → mayor sensibilidad (requiere un precalentamiento cuidadoso/tratamiento térmico posterior a la soldadura)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Mayor tenacidad con una resistencia comparable (mejor resistencia a la fatiga/impacto)	Mayor dureza alcanzable, pero menor tenacidad.
Costo	Moderado (el vanadio incrementa el costo)	Baja a moderada (aleación más simple)

Recomendaciones finales - Elija 50CrV4 si: - La pieza requiere un equilibrio fiable entre resistencia y tenacidad al impacto (ejes, muelles, componentes dinámicos). - La templabilidad en secciones transversales moderadas y la tenacidad posterior al revenido son importantes. - Los controles de soldabilidad son aceptables, pero la resistencia a la fractura es prioritaria.

• Elija 55Cr3 si:
• El requisito principal es una mayor dureza superficial o transversal (piezas de desgaste, pasadores, componentes endurecidos pequeños).
• La sensibilidad a los costos es mayor y la fabricación puede controlar el tamaño de la sección, el tratamiento térmico y los tratamientos posteriores a la soldadura.
• La aplicación tolera una menor resistencia al impacto o puede diseñarse para evitar modos de fallo frágiles.

Nota final: Ambos grados responden en gran medida al tratamiento térmico y al tamaño de la sección; especifique las propiedades mecánicas requeridas, los registros certificados de tratamiento térmico y los procedimientos de soldadura en los documentos de adquisición. Para componentes críticos para la seguridad o sensibles a la fatiga, solicite al proveedor los certificados de fábrica y, cuando corresponda, los datos completos de las pruebas de tenacidad a la fractura o de impacto.