9Cr18Mo frente a 9Cr18MoV: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros inoxidables martensíticos 9Cr18Mo y 9Cr18MoV se utilizan comúnmente en componentes que requieren un equilibrio entre dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, como herramientas de corte, piezas de desgaste, componentes de válvulas y ciertos elementos de fijación. Al elegir entre estos dos grados, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen sopesar las ventajas y desventajas de coste, maquinabilidad, soldabilidad, tenacidad y resistencia al desgaste en servicio.
La principal diferencia técnica radica en la adición deliberada de vanadio al 9Cr18MoV para generar carburos de vanadio duros y estables, lo que mejora la resistencia al desgaste abrasivo y adhesivo, así como la resistencia al revenido. Ambas calidades comparten una matriz similar con alto contenido de carbono y cromo que produce microestructuras martensíticas tras el temple y el revenido; sin embargo, la modificación química con vanadio altera el tipo de carburo, la templabilidad y los límites prácticos del tratamiento térmico y la fabricación.
1. Normas y designaciones
- Los sistemas de normalización comunes donde aparecen aleaciones de acero inoxidable martensítico similares son: GB (normas nacionales chinas), JIS (japonesa), EN (europea) y ASTM/ASME (estadounidense). Muchas designaciones de productos comerciales (p. ej., nombres derivados de 9Cr18) se encuentran en las normas GB o en las especificaciones de los proveedores, en lugar de en una única denominación ASTM.
- Clasificación:
- Tanto el 9Cr18Mo como el 9Cr18MoV son aceros inoxidables martensíticos (aceros inoxidables para herramientas/cuchillos).
- No son aceros HSLA ni aceros al carbono convencionales; pertenecen a categorías de aceros inoxidables para herramientas/cuchillos con alto contenido de carbono y de moderado a alto contenido de cromo.
2. Composición química y estrategia de aleación
Tabla: presencia cualitativa de elementos clave (Alta / Media / Baja / Trazas / Aditiva)
| Elemento | 9Cr18Mo | 9Cr18MoV |
|---|---|---|
| C (Carbono) | Alto (elemento endurecedor primario) | Alto (elemento endurecedor primario) |
| Mn (manganeso) | Bajo–Medio (desoxidante, afecta ligeramente la endurebilidad) | Bajo–Medio |
| Si (silicio) | Bajo (desoxidante) | Bajo |
| P (Fósforo) | Traza (control de impurezas) | Rastro |
| S (Azufre) | Rastro (a menudo reducido para las calificaciones de rendimiento) | Rastro |
| Cr (Cromo) | Alta (pasividad del acero inoxidable, formador de carburo) | Alto |
| Ni (níquel) | Trazas bajas (generalmente mínimas) | Trazas bajas |
| Mo (molibdeno) | Medio (mejora la resistencia a la corrosión y el endurecimiento secundario) | Medio |
| V (vanadio) | Rastro/Ninguno (no añadido deliberadamente) | Añadido (elemento diferenciador clave) |
| Nb (Niobio) | Rastro/Ninguno | Rastro/Ninguno |
| Ti (titanio) | Rastro/Ninguno | Rastro/Ninguno |
| B (Boro) | Traza (si está presente para el control de la endurecimiento) | Rastro |
| N (Nitrógeno) | Traza (limitada; afecta al rendimiento del acero inoxidable) | Rastro |
Notas: La nomenclatura comercial típica «9Cr18» implica aceros con alto contenido de carbono (entre 0,8 y 1,0 % en peso) y alto contenido de cromo (entre 13 y 18 % en peso); el prefijo numérico se relaciona convencionalmente con el contenido de carbono y cromo en algunos sistemas nacionales. Los rangos nominales exactos deben obtenerse del proveedor o de la norma aplicable. - Estrategia de aleación: el carbono establece la dureza tras el temple; el cromo proporciona resistencia a la corrosión y forma carburos ricos en cromo; el molibdeno aumenta la resistencia a la corrosión y contribuye al endurecimiento secundario; el vanadio forma carburos de V muy duros y finos que aumentan la resistencia a la abrasión y la estabilidad del revenido.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
- Microestructura base (tras la austenización y el temple adecuados): predominantemente martensita con una dispersión de carburos (carburos ricos en cromo y, en las variantes que contienen vanadio, carburos ricos en vanadio). La matriz es martensita revenida tras los ciclos de revenido.
- 9Cr18Mo: los carburos tienden a ser ricos en cromo (p. ej., M23C6 o carburos de cromo complejos similares), además de presentar algunas fases que contienen molibdeno. El revenido produce un engrosamiento de los carburos a temperaturas más altas, lo que reduce la dureza pero puede aumentar la tenacidad.
- 9Cr18MoV: el vanadio promueve la formación de carburos de vanadio finos (VC) que son térmicamente estables y resistentes al engrosamiento; esto refina la distribución de carburos, mejorando la resistencia al desgaste y aumentando la resistencia al revenido; es decir, el grado retiene mejor la dureza durante el revenido a temperaturas más altas (comportamiento de endurecimiento secundario del Mo y el V).
- Rutas típicas de tratamiento térmico:
- Austenizar (solubilizar) a una temperatura específica del grado para disolver los carburos según sea necesario y formar una austenita homogénea.
- Enfriar (en aceite o aire, según el tamaño de la sección y la templabilidad) para formar martensita.
- Templado a temperaturas controladas: templado bajo para máxima dureza; templado alto para mayor tenacidad. El 9Cr18MoV tolera templados más altos sin perder tanta dureza debido a los efectos de la fina concentración de VC y Mo.
- Procesamiento termomecánico: el laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden refinar el tamaño del grano de austenita previo y mejorar la tenacidad; la microaleación con vanadio puede influir aún más en el control del tamaño del grano mediante el anclaje con carbonitruro, si está presente.
4. Propiedades mecánicas
Tabla: comparación cualitativa de propiedades mecánicas (rendimiento relativo)
| Propiedad | 9Cr18Mo | 9Cr18MoV |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Alto | Ligeramente superior (debido a los carburos más finos y a una mayor templabilidad) |
| Resistencia a la fluencia | Alto | Un poco más alto |
| Alargamiento (ductilidad) | Moderado–Bajo | Ligeramente inferior (debido a una mayor precipitación de carburos) |
| Resistencia al impacto | Mejor (relativamente) | Menor (a cambio del desgaste) |
| Dureza (endurecido y templado) | Alto | Mayor dureza (optimizada para el desgaste; conserva la dureza tras el revenido) |
Explicación: Ambas calidades alcanzan una alta dureza tras el temple debido a su elevado contenido de carbono. La calidad con vanadio suele alcanzar valores de resistencia a la tracción y dureza iguales o superiores para un tratamiento térmico determinado, ya que las partículas de VC refinan la microestructura y evitan el ablandamiento durante el revenido. - El aumento de la dureza y la fracción de volumen de carburo generalmente reducen la ductilidad y la tenacidad al impacto; por lo tanto, el 9Cr18MoV tiende a sacrificar algo de tenacidad en favor de la resistencia al desgaste.
5. Soldabilidad
La soldabilidad de los aceros inoxidables martensíticos de alto carbono es compleja y debe controlarse mediante un precalentamiento adecuado, una temperatura entre pasadas precisa y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Dos métricas de carbono equivalente comúnmente utilizadas para la evaluación cualitativa 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: - Un alto contenido de carbono más cantidades significativas de Cr, Mo o V aumenta los valores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$, lo que se correlaciona con una templabilidad elevada y un mayor riesgo de agrietamiento en frío en la zona afectada por el calor de la soldadura. - El 9Cr18MoV, que contiene vanadio, generalmente presentará un equivalente de carbono efectivo ligeramente superior para una composición dada que el 9Cr18Mo, lo que aumenta los requisitos de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Medidas prácticas: utilice electrodos de bajo hidrógeno o metal de aporte con una composición similar a la del acero inoxidable martensítico, aplique precalentamiento para ralentizar el enfriamiento, controle la temperatura entre pasadas y realice un tratamiento térmico posterior a la soldadura (revenido) para reducir las tensiones residuales y la dureza en la zona afectada por el calor. Para soldaduras de reparación donde el tratamiento térmico posterior a la soldadura completo no sea práctico, considere métodos de unión alternativos (fijación mecánica, soldadura fuerte o el uso, con precaución, de aleaciones de aporte más dúctiles).
6. Corrosión y protección de superficies
- Resistencia a la corrosión: ambas calidades son aceros inoxidables con una resistencia de moderada a buena en aire y ambientes poco agresivos debido a su contenido de cromo. No alcanzan la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables austeníticos (p. ej., 304/316) en medios agresivos.
- El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) se utiliza comúnmente para aceros inoxidables austeníticos/dúplex con un contenido significativo de nitrógeno; la fórmula es:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Para 9Cr18Mo y 9Cr18MoV, el PREN tiene una utilidad limitada debido a que los contenidos de nitrógeno son bajos y la microestructura es martensítica; el rendimiento de corrosión está dominado por el contenido de cromo y la distribución de carburos (la precipitación de carburos puede agotar localmente el cromo y reducir la pasividad).
- Consejos sobre protección y tratamiento de superficies:
- Evite la sensibilización (precipitación de carburo de cromo en los límites de grano) mediante un tratamiento de solución adecuado y un enfriamiento rápido cuando la resistencia a la corrosión sea crítica.
- Para servicios agresivos o donde la integridad del acero inoxidable sea insuficiente, considere recubrimientos (electrochapado, PVD, cromo duro), tratamientos de pasivación o el uso de aleaciones más resistentes a la corrosión.
- Para los aceros no inoxidables utilizados en funciones similares, son comunes la galvanización, la pintura o los recubrimientos poliméricos; para estos grados de acero inoxidable martensítico, son típicos el acabado superficial (pulido) y la pasivación.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Mecanizado: ambas calidades se mecanizan con mayor facilidad en estado recocido (blando) que en estado endurecido. En estado endurecido, la presencia de carburos duros —especialmente en el 9Cr18MoV— acelera el desgaste de la herramienta y requiere herramientas de carburo, velocidades de corte más bajas y avances controlados.
- Rectificado y acabado: el desgaste abrasivo de las herramientas y las muelas es mayor en los aceros que contienen vanadio; se requiere una selección cuidadosa de los medios abrasivos y del acondicionamiento de la muela.
- Conformado/doblado: limitado en estado endurecido. El conformado en frío solo es factible tras el recocido; el doblado y el estampado deben realizarse antes del endurecimiento y revenido finales.
- Tratamientos térmicos: recocido para conformado, seguido de un ciclo completo de tratamiento térmico para obtener las propiedades finales. El rectificado superficial y el pulido final suelen realizarse después del tratamiento térmico para controlar la distorsión.
8. Aplicaciones típicas
| 9Cr18Mo (Usos comunes) | 9Cr18MoV (Usos comunes) |
|---|---|
| Hojas de cuchillo y cubertería donde se necesita un equilibrio entre resistencia a la corrosión y dureza | filos cortantes, cuchillas industriales y piezas de desgaste donde se prioriza la durabilidad a la abrasión. |
| Componentes y ejes de válvulas en entornos moderados | Pistas de rodamientos y casquillos de desgaste donde la resistencia a la abrasión es fundamental. |
| Muelles y elementos de fijación que requieren alta resistencia y protección moderada contra la corrosión | Insertos de herramientas de alto desgaste, cuchillas de corte y componentes sometidos a desgaste por deslizamiento |
Justificación de la selección: - Elija 9Cr18Mo cuando se requiera un equilibrio algo mejor entre tenacidad y resistencia a la corrosión y cuando la maquinabilidad/soldabilidad o el costo sean limitaciones importantes. - Elija 9Cr18MoV cuando la resistencia al desgaste abrasivo y la retención de dureza bajo revenido sean los principales factores de diseño, y cuando se pueda justificar una tenacidad ligeramente menor y mayores costos de herramientas/soldadura.
9. Costo y disponibilidad
- Costo relativo: El 9Cr18MoV suele ser más caro debido a la adición de vanadio y el procesamiento asociado para mantener distribuciones finas de carburo; los costos de herramientas y acabado también son más altos.
- Disponibilidad: ambas aleaciones se encuentran fácilmente disponibles en proveedores especializados de acero inoxidable y acero para herramientas, en forma de barras, láminas, flejes y piezas en bruto. La aleación 9Cr18Mo (de composición química más simple) suele ser más común en el mercado de cuchillos y ferretería; la variante de vanadio se puede conseguir principalmente a través de proveedores especializados o bajo pedido en formatos específicos.
10. Resumen y recomendación
Tabla que resume las principales ventajas e inconvenientes (Cualitativo)
| Atributo | 9Cr18Mo | 9Cr18MoV |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Mejor (pero aún con limitaciones) | Más desafiante |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Mayor tenacidad para una dureza similar | Mayor resistencia y dureza, menor tenacidad |
| Resistencia al desgaste | Bien | Superior (desgaste abrasivo/adhesivo) |
| Costo | Más bajo | Más alto |
Recomendaciones: - Elija 9Cr18Mo si necesita un acero inoxidable martensítico rentable con una tenacidad razonable, un mecanizado más fácil en estado recocido y una resistencia a la corrosión moderada; adecuado para cuchillos, válvulas y componentes de uso general donde se requiere cierta ductilidad. - Elija 9Cr18MoV si la vida útil está dominada por el desgaste abrasivo o adhesivo y es fundamental una mayor dureza retenida después del revenido; es adecuado para cuchillos industriales, insertos de desgaste y componentes donde la retención de dureza durante el uso compensa la penalización en tenacidad y costo de fabricación.
Notas prácticas finales: - Solicite siempre al proveedor los certificados de materiales y las recomendaciones de tratamiento térmico para la forma del producto prevista. - Para la soldadura, obtenga procedimientos específicos de precalentamiento, entre pasadas y PWHT de los ingenieros de soldadura y siga las pruebas de calificación de procedimientos cuando sea crítico para la seguridad. - Prototipar y validar los programas de tratamiento térmico y los parámetros de mecanizado en piezas representativas, ya que la distribución del carburo y las propiedades finales dependen en gran medida de pequeños cambios en la química y el procesamiento.