60Si2Mn frente a 55CrSi: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen elegir entre aceros para muelles de alto carbono que ofrecen alta resistencia, resistencia a la fatiga y una respuesta predecible al tratamiento térmico. Dos grados comúnmente comparados en esta clase son el 60Si2Mn y el 55CrSi. El dilema de la selección generalmente gira en torno a las compensaciones entre la templabilidad para secciones más gruesas, la resistencia y la vida a fatiga alcanzables, la soldabilidad y la facilidad de fabricación, y el costo del material.

La principal diferencia entre estas calidades radica en la estrategia de aleación: una prioriza la química del silicio-manganeso para aumentar la resistencia y la elasticidad con altos niveles de carbono, mientras que la otra incorpora cromo con silicio para incrementar la templabilidad y la resistencia al revenido. Por ello, suelen compararse para muelles, elementos de fijación y componentes sometidos a altas tensiones, donde tanto el rendimiento mecánico como la facilidad de fabricación son cruciales.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones comunes que se encuentran en la industria:
• GB (China): 60Si2Mn, 55CrSi (nomenclatura comúnmente utilizada en las normas y la cadena de suministro chinas).
• EN/ISO: Los grados de acero EN comparables para aceros de resorte incluyen equivalentes 60Si2Mn y análogos SAE/ASTM (por ejemplo, SAE 9254/55 para aceros de resorte SiCr), pero las referencias cruzadas exactas dependen de los detalles de la especificación.
• JIS: Los aceros para muelles JIS (por ejemplo, las familias SUP9/SUP10) pueden utilizarse como equivalentes funcionales en algunas aplicaciones.
• ASTM/ASME: No existe una designación universal ASTM única para estos aceros comerciales para muelles; el suministro generalmente se rige por normas nacionales o específicas del cliente.
• Clasificación:
• Tanto el 60Si2Mn como el 55CrSi son aceros para muelles de aleación con alto contenido de carbono (no inoxidables). No son aceros para herramientas, aceros inoxidables ni aceros de alta aleación y baja aleación (HSLA) en el sentido convencional.

2. Composición química y estrategia de aleación

Nota: La composición varía según la norma y el proveedor. La tabla siguiente muestra rangos de composición típicos (aproximados) para ilustrar la estrategia de aleación, en lugar de límites de especificación exactos.

Elemento (%)	60Si2Mn (rango típico)	55CrSi (rango típico)
do	0,56–0,64	0,50–0,60
Minnesota	0,50–1,00	0,30–0,80
Si	1.60–2.00	0,90–1,50
PAG	≤ 0,03 (máx.)	≤ 0,03 (máx.)
S	≤ 0,03 (máx.)	≤ 0,03 (máx.)
Cr	≤ 0,25 (traza)	0,80–1,30
Ni	≤ 0,30 (traza)	≤ 0,30 (traza)
Mes	—	≤ 0,10 (menor)
V, Nb, Ti	— (generalmente ausente)	— (generalmente ausente)
B, N	—	—

Efectos de aleación: - El carbono es el principal elemento endurecedor: un mayor contenido de C aumenta la dureza y la resistencia alcanzables después del temple y el revenido, pero reduce la soldabilidad y la ductilidad. - El silicio aumenta la resistencia, la elasticidad y el rendimiento del resorte; también estabiliza la ferrita y puede mejorar la tenacidad en algunos templetes. - El manganeso mejora la templabilidad y la resistencia a la tracción, y actúa como desoxidante. - El cromo aumenta la templabilidad y la resistencia al revenido, lo cual es importante para secciones más gruesas y temperaturas de servicio más elevadas. - Los oligoelementos y un control estricto de P/S mejoran la vida a fatiga y reducen las inclusiones.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Las microestructuras típicas y el comportamiento ante el tratamiento térmico difieren debido al equilibrio de la aleación: - 60Si2Mn (dominado por Si–Mn): - En condiciones normalizadas: estructura predominantemente perlítica/ferrítica para una resistencia moderada. - Después del temple y revenido: matriz martensítica templada hasta alcanzar la dureza deseada; los niveles de silicio ayudan a conservar las propiedades elásticas para aplicaciones de resortes. - Sensibilidad al espesor: moderada; el manganeso proporciona cierta templabilidad, pero es menos efectivo que el cromo, por lo que los componentes más gruesos pueden mostrar un endurecimiento incompleto a menos que se ajusten. - 55CrSi (dominado por Cr–Si): - En estado normalizado: perlita + ferrita dependiendo del enfriamiento. - Después del temple y revenido: martensita revenida; el cromo aumenta la templabilidad y promueve una transformación martensítica más uniforme en las secciones más gruesas. - Resistencia al revenido: mejorada gracias al Cr; permite una mejor retención de la resistencia a temperaturas de revenido elevadas y una mayor resistencia al ablandamiento con el tiempo.

Rutas de procesamiento: - Normalización/refinamiento del tamaño de grano: ambos métodos responden bien, pero la elección de la temperatura de normalización depende del contenido de carbono y del tamaño de la sección. - Temple y revenido: común en aceros para muelles. El medio de temple, la temperatura de austenización y el perfil de revenido controlan la dureza y la tenacidad finales. - Procesamiento termomecánico (para el enrollado de alambre o resorte): el enfriamiento controlado y el trabajo en frío, además del revenido para aliviar tensiones, son estándar.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas varían considerablemente según el tratamiento térmico y el tamaño de la sección. La tabla siguiente muestra los rangos típicos que se pueden alcanzar tras los ciclos de temple y revenido habituales en la industria para aplicaciones de muelles y alta resistencia.

Propiedad	60Si2Mn (típico)	55CrSi (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	900–1600 (dependiendo del temperamento)	900–1700 (mejor en secciones más gruesas)
Límite elástico (MPa)	700–1400	700–1450
Alargamiento (%)	6–18 (menor a mayor fuerza)	6–18 (rango similar)
Resistencia al impacto (J, Charpy)	De baja a moderada dureza en estado de alta dureza; mejora con el revenido.	Tendencia similar; el Cr puede mejorar la tenacidad retenida con igual dureza.
Dureza (HRC)	~30–65 (dependiendo del temperamento)	~30–65 (puede mantenerse en partes más gruesas debido al Cr)

Interpretación: Ambos grados pueden alcanzar resistencias a la tracción muy elevadas cuando se endurecen y templan; las diferencias suelen depender de la aplicación y la geometría. - El 55CrSi generalmente ofrece mayor templabilidad y propiedades más consistentes en secciones más gruesas, lo que lo hace preferible cuando se necesita un endurecimiento completo de componentes más grandes. - El 60Si2Mn es eficaz para alambres, resortes de diámetro pequeño y componentes donde se requiere una elasticidad y un rendimiento a la fatiga muy altos en secciones pequeñas.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está determinada principalmente por el equivalente de carbono y la templabilidad. Dos índices comúnmente utilizados son el equivalente de carbono IIW y el Pcm (índice aeronáutico/de fabricación):

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

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

Interpretación cualitativa: - Valores más altos de C y CE/Pcm implican una mayor susceptibilidad al agrietamiento en frío y la necesidad de un tratamiento térmico previo/posterior a la soldadura. El acero 60Si2Mn suele tener un contenido de silicio ligeramente superior y un contenido de carbono comparable o superior, pero menor contenido de cromo; su templabilidad es moderada. Para piezas pequeñas, la soldadura es factible con controles estrictos (precalentamiento, electrodos de bajo hidrógeno). En aceros para muelles de alta dureza, generalmente se evita la soldadura a menos que se apliquen recocido y revenido localizados. El acero 55CrSi, debido a su contenido de cromo, suele presentar un coeficiente de expansión térmica (CE) mayor para un contenido de carbono dado y exhibe una mayor templabilidad. Esto dificulta la soldabilidad en secciones gruesas, ya que puede formarse una zona afectada por el calor (ZAC) martensítica dura. Generalmente se requiere precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT); muchas aplicaciones prefieren la unión mecánica o el conformado en frío a la soldadura.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el 60Si2Mn ni el 55CrSi son inoxidables. Su resistencia a la corrosión es limitada y depende de la protección de la superficie.
• Entre las protecciones comunes se incluyen la galvanización, el electrochapado, los recubrimientos de fosfato, la pintura o los recubrimientos de polímeros.
• Para aplicaciones de resortes donde los recubrimientos pueden afectar el rendimiento, se deben considerar alternativas de acero inoxidable o características de diseño protectoras.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se aplica a las aleaciones de acero inoxidable:

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

• La norma PREN no es aplicable a estos aceros para muelles no inoxidables porque sus niveles de Cr y su diseño de aleación son insuficientes para producir una protección pasiva contra la corrosión.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• El alto contenido de carbono y la elevada dureza de ambos grados en estado endurecido reducen la maquinabilidad. El torneado previo al endurecimiento es limitado; el uso de herramientas y velocidades adecuadas, así como el revenido para disminuir la dureza antes del mecanizado pesado, es la práctica habitual.
• La aleación 60Si2Mn puede ser ligeramente más mecanizable en estado recocido o normalizado debido a su menor contenido de Cr.
• Formabilidad:
• Conformado en frío y enrollado: ambos procesos están diseñados para la formación de resortes; el 60Si2Mn se utiliza ampliamente para resortes de pequeño diámetro debido a su alta elasticidad.
• Doblado y conformado en frío: realizar en estado recocido; evitar el conformado cuando la dureza sea alta.
• Acabado superficial:
• El rectificado y el granallado son comunes en piezas sometidas a fatiga; ambos aceros responden bien al granallado para mejorar su vida útil a la fatiga.

8. Aplicaciones típicas

60Si2Mn (usos comunes)	55CrSi (usos comunes)
Muelles helicoidales de alta elasticidad (diámetro pequeño), muelles de suspensión para componentes pequeños, alambre para muelles, muelles de torsión para cargas ligeras	Muelles helicoidales de alta resistencia, ballestas, muelles amortiguadores, muelles de suspensión y antivibración de mayor diámetro
Muelles de precisión y pequeños componentes mecánicos que requieren alta resiliencia	Componentes más pesados ​​y gruesos que requieren endurecimiento total y resistencia al revenido.
Alambre de alto carbono y sujetadores pequeños en entornos de alta fatiga	Componentes que requieren una templabilidad superior, un mejor rendimiento en la zona afectada por el calor (ZAC) y una mayor resistencia al revenido.

Justificación de la selección: La elección se basa en la magnitud de la carga, la geometría del componente (espesor de la sección), la vida útil a fatiga requerida y si el endurecimiento total es esencial. El 60Si2Mn es rentable para piezas pequeñas de alta elasticidad; el 55CrSi es preferible para componentes más grandes y sometidos a altas tensiones, donde la uniformidad del endurecimiento y la resistencia al revenido son importantes.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo:
• El acero 60Si2Mn suele costar menos por kilogramo porque no contiene adiciones significativas de cromo y se produce ampliamente como acero para muelles.
• El acero 55CrSi es ligeramente más caro debido a su contenido de cromo y al control potencialmente más estricto que se requiere para aplicaciones de resortes.
• Disponibilidad:
• Ambos grados se encuentran disponibles comúnmente en forma de varilla, alambre y barra a través de proveedores de acero para resortes; la disponibilidad local depende de la producción regional y el uso estándar (por ejemplo, el 55CrSi puede ser más común en las cadenas de suministro de la industria automotriz donde se requieren piezas más gruesas).

10. Resumen y recomendación

Atributo	60Si2Mn	55CrSi
Soldabilidad	Mejor para piezas pequeñas (con controles)	Más difícil debido a su mayor endurecimiento
Resistencia-Tenacidad	Alta resistencia para secciones pequeñas; excelente elasticidad	Resistencia comparable o superior en piezas más gruesas; mayor resistencia al revenido
Costo	Más bajo	Más alto

Recomendaciones finales: - Elija 60Si2Mn si: - Se necesita un alto límite elástico y una buena resistencia a la fatiga en muelles o alambres de sección pequeña. La sensibilidad a los costes y los altos volúmenes de producción de componentes pequeños son clave. - No se requiere endurecimiento total de secciones gruesas y la soldadura es mínima o controlada. - Elija 55CrSi si: - El componente tiene secciones transversales más grandes o requiere un endurecimiento uniforme en toda la sección. - Es necesario mejorar la resistencia al templado y conservar mejor las propiedades después del templado o la exposición a temperaturas elevadas. - La aplicación tolera un coste de material ligeramente superior y permite controlar los procedimientos de soldadura/tratamiento térmico para mayor seguridad.

Ambos materiales son de probada eficacia en el diseño de resortes y componentes de alta resistencia. La elección final debe basarse en el espesor de la sección, el perfil de revenido requerido, los requisitos de fatiga e inicio de grietas por fatiga, y las restricciones de fabricación posteriores, como la soldadura y el acabado superficial.