52100 vs 51100 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros 52100 y 51100 son dos aceros para rodamientos con alto contenido de carbono que se suelen considerar cuando los diseñadores y los equipos de compras deben equilibrar la resistencia al desgaste, la tenacidad, la facilidad de fabricación y el coste. Los ingenieros a menudo se enfrentan a la disyuntiva entre una mayor templabilidad y vida útil frente a una composición química más simple, un mecanizado más sencillo y un menor coste del material. Las decisiones típicas se toman al elegir un material para rodamientos, componentes de desgaste, ejes o pasadores endurecidos, donde la templabilidad integral, la resistencia a la fatiga superficial y la tenacidad son fundamentales.

La principal estrategia que distingue a ambos grados de acero es el uso de aleaciones para aumentar la templabilidad y la resistencia al desgaste: un grado contiene adiciones deliberadas de cromo para mejorar la templabilidad y la resistencia a la fatiga por contacto de rodadura, mientras que el otro es esencialmente un acero de alto carbono y baja aleación que depende del carbono y del temple y revenido convencionales para lograr la dureza necesaria. Dado que ambos se utilizan en aplicaciones de rodamientos y desgaste, se comparan frecuentemente en cuanto a vida útil del rodamiento, respuesta al tratamiento térmico e implicaciones en la fabricación posterior.

1. Normas y designaciones

• Estándares comunes que hacen referencia a estas calificaciones:
• ASTM/ASME/SAE: SAE/AISI 52100; SAE/AISI 51100.
• EN: 52100 a menudo se hace referencia a él como 1.3505 (o 100Cr6 en la designación europea); 51100 no tiene un equivalente EN único directo, pero se corresponde con aceros de alto carbono utilizados para cojinetes en normas nacionales específicas.
• JIS/GB: 52100 corresponde a JIS SUJ2 y GB 52100 (la nomenclatura varía según el país); los equivalentes 51100 aparecen en las normas nacionales como aceros para rodamientos de alto carbono sin cromo o aceros simples de alto carbono.
• Clasificación:
• 52100: acero para rodamientos de alto carbono y cromo (acero aleado / acero para rodamientos).
• 51100: acero para rodamientos/ingeniería de alto carbono y sin cromo (acero al carbono o de baja aleación, a menudo tratado como acero para rodamientos en la industria de rodamientos).

Nota: la correspondencia exacta de designaciones varía entre los comités de normalización; confirme siempre el número de norma específico y el texto de la especificación para la adquisición.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla — Composición química típica (en % peso) para especificaciones comerciales comunes. Los valores mostrados son rangos típicos; consulte la especificación de compra aplicable para la aceptación del contrato.

Elemento	52100 (peso típico %)	51100 (peso típico %)
do	0,98 – 1,10	0,90 – 1,05
Minnesota	0,25 – 0,45	0,20 – 0,50
Si	0,15 – 0,35	0,10 – 0,35
PAG	≤ 0,025	≤ 0,035
S	≤ 0,025	≤ 0,040
Cr	1.30 – 1.65	≤ 0,30 (traza)
Ni	traza – 0,25	rastro
Mes	rastro	rastro
V	rastro	rastro
Nb, Ti, B, N	rastro si está presente	rastro si está presente

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono controla principalmente la dureza y la resistencia alcanzables después del temple y revenido; ambos grados son de alto carbono para permitir el endurecimiento martensítico. El cromo en el acero 52100 proporciona mayor templabilidad, mejor resistencia al desgaste, mayor estabilidad de los carburos y mayor resistencia a la fatiga por contacto de rodadura en comparación con los aceros de bajo contenido de cromo. El cromo también mejora la respuesta al revenido y contribuye a la dureza de los carburos retenidos. - El 51100 se basa en trazas de carbono y aleación convencional; su menor contenido de cromo reduce la templabilidad y la resistencia al desgaste bajo un tratamiento térmico idéntico, pero simplifica la composición para ciertos tratamientos térmicos y superficiales.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: En estado recocido, ambas calidades presentan cementita perlítica o esferoidizada en una matriz ferrítica, dependiendo de los ciclos de normalización y esferoidización. Para su uso en rodamientos, ambas se endurecen típicamente a martensita con carburos dispersos. - El acero 52100, tras un endurecimiento y revenido adecuados, forma martensita con finos carburos de cromo; los carburos son generalmente más finos y están más dispersos que en los aceros con bajo contenido de cromo, lo que mejora la resistencia al desgaste abrasivo y la vida útil a la fatiga subsuperficial. - El 51100 forma martensita más carburos de cementita; con un menor contenido de aleación, la distribución de carburos puede ser más gruesa si la esferoidización/recocido no se controla cuidadosamente.

Respuesta al tratamiento térmico: - La normalización mejora el refinamiento del grano en ambos casos, pero el 52100 se beneficia más del endurecimiento a temperaturas de austenización más altas porque el Cr aumenta la templabilidad, lo que permite un endurecimiento más profundo en secciones más grandes. - Temple y revenido: - El 52100 logra una mayor templabilidad y puede alcanzar una dureza uniforme a través de espesores de sección sustanciales; el revenido se utiliza para ajustar la tenacidad frente a la dureza para la fatiga por contacto de rodadura. - El 51100 se endurecerá eficazmente en secciones más pequeñas; en secciones más grandes puede mostrar un núcleo más blando y ser más susceptible a variaciones a través del espesor. - El procesamiento termomecánico (laminación controlada y enfriamiento acelerado) puede producir un tamaño de grano y propiedades mecánicas superiores en ambos, pero la aleación en 52100 lo hace más tolerante al endurecimiento total.

4. Propiedades mecánicas

Tabla — Propiedades mecánicas típicas (el rango depende en gran medida del tratamiento térmico; los valores muestran rangos de servicio comunes).

Propiedad	52100 (endurecido y templado / especificación para rodamientos)	51100 (endurecido y templado)
Resistencia a la tracción (MPa)	~900 – 2000 (dependiendo del temple/HRC)	~800 – 1600
Límite elástico (0,2% de deformación) (MPa)	~700 – 1800 (dependiendo del proceso)	~600 – 1400
Alargamiento (%)	2 – 15 (disminuye a medida que aumenta la dureza)	3 – 18
Resistencia al impacto (J a temperatura ambiente)	Moderado; optimizado mediante templado	Dureza comparable o ligeramente superior para secciones pequeñas con la misma dureza.
Dureza (HRC)	Normalmente, la dureza HRC para las pistas/bolas de los rodamientos es de 58 a 66.	Normalmente, se puede lograr una dureza Rockwell C de 55 a 63 en secciones más pequeñas.

¿Cuál es más fuerte, más resistente o más dúctil y por qué? - Resistencia y dureza: El acero 52100 generalmente alcanza una mayor resistencia efectiva y un endurecimiento total en secciones de igual tamaño debido a su contenido de cromo y la templabilidad resultante. Tenacidad: La tenacidad depende del tratamiento térmico y la microestructura. Con una dureza superficial equivalente, el acero 51100 puede presentar una tenacidad aparente similar o ligeramente superior en secciones pequeñas debido a una distribución más simple de los carburos; sin embargo, el acero 52100 suele ofrecer una mayor resistencia a la fatiga por contacto de rodadura y a la fisuración subsuperficial gracias a la presencia de carburos de cromo finos y una templabilidad mejorada. - Ductilidad: Ambos grados sacrifican ductilidad a alta dureza; el 51100 puede presentar una elongación marginalmente mayor a una dureza comparable en secciones pequeñas, pero esto depende en gran medida del proceso.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está determinada principalmente por el equivalente de carbono y la templabilidad; un mayor contenido de carbono y aleación aumenta el riesgo de agrietamiento en frío y requiere un tratamiento térmico previo y/o posterior a la soldadura.

Índices útiles: - El equivalente de carbono del IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - El PCM alemán: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación: - El acero 52100 normalmente tendrá un CE/Pcm calculado más alto que el 51100 debido a su contenido intencional de cromo; esto aumenta la susceptibilidad al agrietamiento en frío inducido por hidrógeno y a la formación de martensita en la zona afectada por el calor. - El acero 51100, al carecer de un contenido significativo de Cr, generalmente tiene un equivalente de carbono ligeramente inferior y es algo más fácil de soldar, pero su alto contenido de carbono por sí solo sigue dificultando la soldadura sin controles estrictos. Recomendaciones prácticas: Para ambos grados, se debe evitar la soldadura en las superficies de apoyo primarias. Si fuera necesaria la soldadura, utilice precalentamiento, temperaturas controladas entre pasadas, electrodos/materiales de aporte con bajo contenido de hidrógeno y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) adecuado para templar la martensita y reducir las tensiones residuales. Siempre que sea posible, mecanice la geometría final antes del endurecimiento o utilice métodos de unión mecánica.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el acero inoxidable 52100 ni el 51100 son inoxidables; ambos son susceptibles a la corrosión. El cromo en el acero inoxidable 52100 no se encuentra en niveles suficientes para ofrecer un rendimiento propio del acero inoxidable.
• Medidas de protección comunes:
• Pintura, fosfatado, aceitado y chapado (por ejemplo, zinc) para protección general contra la corrosión.
• Carburación/cromización localizada o endurecimiento superficial para resistencia al desgaste, además de recubrimientos de sacrificio para protección contra la corrosión.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable porque estas calidades no son aleaciones inoxidables. A modo de referencia, el PREN se define como: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ pero se aplica a los aceros inoxidables con un contenido significativo de Cr, Mo y N, no a 52100/51100.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• En estado recocido, ambos aceros se pueden mecanizar con herramientas estándar de acero rápido o de carburo. El acero 51100 (con menor contenido de aleación) suele ofrecer una maquinabilidad ligeramente mejor que el 52100, ya que el cromo aumenta el desgaste de la herramienta y la tendencia al endurecimiento por deformación.
• En estado endurecido, ambos materiales son difíciles de mecanizar; el rectificado y las herramientas superabrasivas son comunes para el acabado de las superficies de los cojinetes.
• Formabilidad:
• El conformado en frío está limitado por el alto contenido de carbono; el recocido/esferoidización se suele realizar antes de las operaciones de conformado para mejorar la ductilidad.
• El doblado y el estampado son factibles en estado recocido; en estado endurecido, el conformado no es práctico.
• Acabado superficial:
• El pulido y el rectificado de precisión son rutinarios para los componentes de los rodamientos 52100 para lograr la rugosidad superficial y las tolerancias geométricas requeridas.
• Dependiendo del diseño, se pueden aplicar tratamientos superficiales (endurecimiento por inducción, nitruración); el rendimiento de la nitruración puede variar debido a que el Cr afecta la formación de nitruros.

8. Aplicaciones típicas

Tabla — Usos típicos

52100	51100
Rodamientos de elementos rodantes (bolas, rodillos, anillos) donde se requiere una alta vida útil a la fatiga por contacto de rodadura	Componentes de cojinetes en secciones pequeñas, pasadores endurecidos simples y piezas de desgaste donde no se especifica el Cr.
Pistas de rodamientos de precisión en la industria automotriz, aeroespacial y de maquinaria industrial.	Brocas, pasadores y ejes de herramientas de alto carbono donde se aceptan soluciones sensibles al costo
Componentes de alto desgaste con tratamiento térmico controlado: engranajes, levas (en algunos diseños).	Componentes que requieren una química más simple y una maquinabilidad más sencilla (en estado recocido).
Aplicaciones que requieren un endurecimiento más profundo en secciones de tamaño moderado a grande.	Piezas de bajo volumen y diseños heredados donde se especifica 51100

Justificación de la selección: - Elija 52100 cuando la vida útil prolongada a la fatiga por rodadura, un endurecimiento más profundo y una mejor resistencia al desgaste sean requisitos primordiales y cuando el costo y una soldabilidad ligeramente reducida sean aceptables. - Elija 51100 cuando una solución con alto contenido de carbono sea suficiente, el costo y la maquinabilidad en estado recocido sean prioridades, o cuando los tamaños de sección sean lo suficientemente pequeños como para que la templabilidad no sea limitante.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El 52100 suele tener una prima modesta sobre el 51100 debido a su contenido de cromo y su demanda en los mercados de rodamientos.
• Los precios de mercado fluctúan con los costos de los elementos de aleación (especialmente el Cr) y la demanda mundial de aceros para rodamientos.
• Disponibilidad por formato de producto:
• El 52100 está ampliamente disponible en barras, anillos, bolas y barras rectificadas de precisión para rodamientos; existen cadenas de suministro establecidas para los fabricantes de rodamientos.
• El 51100 está disponible en barras, varillas y algunas formas de material para cojinetes, pero puede ser menos común para pistas de rodamientos de precisión en algunas regiones.
• Recomendación para compras: especifique el estándar exacto y el estado de tratamiento térmico requerido. Los plazos de entrega para componentes rectificados y endurecidos con precisión pueden ser considerablemente más largos.

10. Resumen y recomendación

Tabla — Comparación rápida

Atributo	52100	51100
soldabilidad	Menor (mayor CE; a menudo se requiere precalentamiento/PWHT)	Moderado (sigue siendo un reto debido a su alto contenido en carbono)
Resistencia-Tenacidad (endurecido)	Alta resistencia, excelente resistencia a la fatiga por rodadura	Buena resistencia; puede verse limitada por la templabilidad en secciones de mayor tamaño.
Costo	Moderado-alto (contenido de cromo y demanda del mercado)	Generalmente más baja (química más simple)

Recomendación: - Elija 52100 si: - Se necesita una alta vida útil a la fatiga por contacto de rodadura, una resistencia al desgaste superior y un endurecimiento integral fiable en secciones de tamaño moderado a grande (por ejemplo, rodamientos de precisión, rodillos sometidos a cargas elevadas). - La aplicación tolera un coste de material ligeramente superior y requiere un rendimiento constante de los rodamientos durante una larga vida útil. - Elija 51100 si: - Su diseño está limitado a secciones pequeñas o requiere una química más simple para obtener ventajas en cuanto a costos o mecanizado. - Puede aceptar una templabilidad menor o aplicar procesos de endurecimiento superficial y no requerir una vida útil a la fatiga mejorada con cromo.

Nota final: Ambos grados son aceros de alto carbono y requieren una especificación cuidadosa del tratamiento térmico, la limpieza (control de inclusiones) y el acabado para cumplir con los objetivos de rendimiento. Siempre consulte los requisitos exactos de la norma y el tratamiento térmico en los documentos de compra y valide el rendimiento con pruebas específicas de la aplicación (fatiga por contacto de rodadura, pruebas de desgaste y evaluaciones de tensiones residuales) antes de la producción en serie.