A516 Gr60 vs Gr70 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros ASTM A516 grados 60 y 70 son dos de los aceros al carbono más comúnmente especificados para recipientes a presión a nivel mundial. Ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción suelen elegir entre ellos al diseñar calderas, intercambiadores de calor, tanques de almacenamiento y otros equipos soldados que soportan presión. Las compensaciones típicas que influyen en la selección incluyen la resistencia requerida frente a la facilidad de fabricación, el costo frente al rendimiento y la soldabilidad frente a la tenacidad dependiente del espesor.

La principal diferencia técnica entre los dos grados radica en que el Grado 70 está especificado para proporcionar una resistencia mínima superior a la del Grado 60, manteniendo una ductilidad y propiedades de impacto comparables cuando se produce y se trata térmicamente según la especificación aplicable. Dado que ambos grados están cubiertos por la misma especificación ASTM/ASME (A516/A516M), se suelen comparar en el diseño y la adquisición como opciones intercambiables cuando se debe equilibrar la resistencia estructural o la tenacidad dependiente del espesor con la fabricación y el coste.

1. Normas y designaciones

• Especificación principal: ASTM A516 / ASME SA-516 (Placas para recipientes a presión, acero al carbono, para servicio a temperaturas moderadas y bajas). Los grados incluidos en esta especificación son 55, 60, 65 y 70; los grados 60 y 70 son los más comunes.
• Equivalentes internacionales y normas relacionadas:
• EN: No existe una norma de la UE equivalente, pero los aceros para recipientes a presión comparables incluyen la serie EN 10028 (por ejemplo, P235GH, P265GH) y variantes de EN 10025 para aceros estructurales según la aplicación.
• JIS/GB: Los códigos locales de recipientes a presión y calderas especifican grados comparables; los diseñadores deben mapear los requisitos mecánicos y de resistencia en lugar de asumir una equivalencia directa.
• Clasificación del material: Tanto el A516 Gr60 como el Gr70 son aceros al carbono simples/acero al carbono dulce con aleación controlada y se consideran aceros al carbono (no inoxidables, no aceros para herramientas y no aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) en el sentido más estricto, aunque puede haber alguna microaleación).

2. Composición química y estrategia de aleación

La especificación A516 se centra en garantizar propiedades adecuadas de tracción e impacto mediante límites controlados de carbono, manganeso e impurezas, en lugar de mediante aleaciones extensas. Los límites de composición específicos se establecen en las normas ASTM A516/A516M; los fabricantes suelen proporcionar certificados de fábrica detallados.

Tabla: Elementos compositivos típicos — presencia cualitativa | Elemento | Presencia y función típicas (A516 Gr60 / Gr70) | |---|---| | C (Carbono) | De bajo a moderado. El grado 70 se especifica normalmente para lograr una mayor resistencia y, por lo tanto, puede tener un contenido de carbono o microaleación ligeramente superior al del grado 60. El carbono controla la resistencia base y la dureza, pero reduce la soldabilidad y la tenacidad en niveles altos. | | Mn (Manganeso) | Moderado. El manganeso aumenta la templabilidad y la resistencia, y ayuda a la desoxidación; se controla para equilibrar la tenacidad y la soldabilidad. | | Si (Silicio) | Bajo. Se utiliza como desoxidante; generalmente en cantidad limitada. | | P (Fósforo) | Trazas (límites máximos). Se mantiene bajo para evitar la fragilidad. | | S (Azufre) | Trazas (límites máximos). Se mantiene bajo; puede minimizarse intencionalmente para mejorar la tenacidad y la calidad de la soldadura. | | Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti | Generalmente muy bajos o ausentes en la composición química estándar A516. Algunas acerías pueden añadir microaleaciones controladas (por ejemplo, V, Nb, Ti) en pequeñas cantidades para refinar el tamaño del grano y aumentar la resistencia sin grandes incrementos de carbono, especialmente en las variantes de grado 70. | | B (Boro) | No es típico en A516; cuando está presente en cantidades traza, afecta la templabilidad. | | N (Nitrógeno) | Trazas. Controlado para obtener propiedades controladas y refinar el grano en algunos procesos. |

Nota: Los límites numéricos exactos y los máximos para C, Mn, P, S y otros elementos se encuentran en las normas ASTM A516/A516M y en los certificados de fábrica. La tabla anterior describe la estrategia de aleación: contenido moderado de carbono y Mn controlado para mayor resistencia, límites estrictos de impurezas para mayor tenacidad y mínima adición de aleación para mantener una soldabilidad favorable.

Cómo afecta la aleación al rendimiento: Resistencia: El carbono y el manganeso son los principales contribuyentes a la resistencia a la tracción y al límite elástico. La microaleación (Nb, V, Ti) puede aumentar la resistencia mediante el refinamiento del grano y el fortalecimiento por precipitación, con una menor penalización en carbono. - Resistencia a la corrosión: Ninguno de los dos grados es inoxidable; la aleación en este caso no proporciona una resistencia significativa a la corrosión; se requiere protección superficial. - Templabilidad: El Mn y el carbono aumentan la templabilidad; ligeros aumentos de estos elementos en el Grado 70 lo hacen ligeramente más propenso a endurecerse en la ZAT bajo enfriamiento rápido.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Las microestructuras típicas de los aceros A516 son ferrita + perlita (o bainita, según su composición e historial de laminación/térmico). Dado que los aceros A516 están diseñados para servicio a presión y temperatura moderadas, normalmente se suministran normalizados o laminados en caliente para garantizar una microestructura uniforme y una tenacidad adecuada.

• Comparación de calificaciones:
• Gr60: Microestructura generalmente ferrita con perlita dispersa; el laminado y normalizado controlados producen una matriz ferrítico-perlítica fina optimizada para la tenacidad.
• Gr70: Microestructura base similar, pero puede contener una fracción de perlita ligeramente mayor o precipitados más finos si está microaleado; esto produce una mayor resistencia a la tracción y al límite elástico sin comprometer significativamente la ductilidad si se procesa adecuadamente.
• Respuesta al tratamiento térmico:
• Normalización/refinamiento: La normalización posterior al laminado en caliente produce una estructura de grano fino uniforme en ambos grados, mejorando la tenacidad.
• Temple y revenido: No es típico para los productos finales A516 utilizados en recipientes a presión; convertiría la microestructura en martensita/martensita revenida y produciría mayor dureza y resistencia, pero no es una ruta estándar para los aceros de presión A516.
• Laminación termomecánica (laminación controlada): Utilizada por algunas acerías para lograr mayor resistencia y tenacidad mediante el refinamiento del grano y el control de la precipitación; beneficiosa para el Grado 70 para alcanzar objetivos de resistencia más elevados sin dañar la tenacidad.

4. Propiedades mecánicas

En lugar de proporcionar valores numéricos específicos (que están establecidos por la norma aplicable y dependen del espesor, la dirección de la prueba y el tratamiento térmico), la siguiente tabla resume los comportamientos mecánicos relativos más relevantes para el diseño y la adquisición.

Tabla: Tendencias comparativas de las propiedades mecánicas | Propiedad | A516 Grado 60 | A516 Grado 70 | Notas | |---|---:|---:|---| | Límite elástico (relativo) | Menor | Mayor | El grado 70 está especificado para proporcionar un límite elástico mínimo superior al grado 60. | | Resistencia a la tracción (relativa) | Menor | Mayor | El grado 70 suele tener una mayor resistencia a la tracción mínima. | | Alargamiento / ductilidad | Comparable | Comparable | Cuando se suministra según las especificaciones y para espesores comparables, los requisitos de alargamiento son similares. | | Resistencia al impacto (relativa) | Similar | Similar | Los requisitos de energía de impacto Charpy están determinados por las especificaciones y las condiciones de fabricación; ambos grados pueden alcanzar una resistencia comparable si se producen correctamente. | | Dureza | Comparable (el grado 70 puede ser ligeramente superior) | Ligeramente superior | El grado 70 puede ser algo más duro debido a su mayor resistencia; la dureza sigue siendo moderada en comparación con los aceros templados. |

Explicación: La diferencia de diseño radica en la resistencia: el grado 70 está diseñado para soportar tensiones más elevadas. Los requisitos de tenacidad y ductilidad de la norma ASTM A516 garantizan que ambos grados cumplan con los valores mínimos de energía de impacto para las temperaturas de servicio especificadas, por lo que la tenacidad no se ve necesariamente comprometida al seleccionar el grado 70 cuando la placa se fabrica según las especificaciones.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de los aceros A516 es generalmente buena debido a su contenido relativamente bajo de carbono y a los niveles controlados de otros elementos de aleación. Sin embargo, a medida que aumenta la resistencia (y, por consiguiente, el equivalente de carbono), las limitaciones de soldabilidad se vuelven más estrictas.

Predictores útiles del equivalente de carbono y la soldabilidad: - Equivalente de carbono del Instituto Internacional de Soldadura: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (para predecir las necesidades de precalentamiento en aleaciones complejas): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - Tanto el A516 Gr60 como el Gr70 tienen $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ relativamente bajos en comparación con los aceros de aleación de alta resistencia, lo que significa que se pueden aplicar fácilmente procesos generales de soldadura por arco (SMAW, GMAW, SAW). - El grado 70 puede tener un $CE_{IIW}$ ligeramente superior debido a su mayor nivel de carbono/mn o microaleación; por lo tanto, para secciones gruesas o cuando se utilizan procedimientos de alta entrada de calor, se recomienda con mayor frecuencia un precalentamiento moderado y temperaturas entre pasadas controladas para el Gr70 para evitar el endurecimiento de la ZAT y la susceptibilidad a las grietas en frío. - El uso de consumibles con bajo contenido de hidrógeno, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (cuando se especifica) y el cumplimiento de las prácticas de WPS/calificación son comunes para ambos grados en equipos a presión.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el acero A516 Gr60 ni el Gr70 son inoxidables; se corroen al exponerse a atmósferas o líquidos corrosivos. Las estrategias de protección contra la corrosión incluyen recubrimientos (epoxi, poliuretano), sistemas de pintura, protección catódica y galvanizado en caliente (sujeto a limitaciones de espesor y preparación de la superficie).
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se aplica a las aleaciones inoxidables y no es relevante para los aceros al carbono A516. A modo de ejemplo únicamente. $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice no es aplicable a los grados A516 porque el Cr, el Mo y el N están presentes en niveles traza o nulos y no confieren resistencia a la corrosión localizada.
• Criterio de selección: Elegir la protección de la superficie en función del entorno operativo (atmosférico, agua de mar, exposición a productos químicos) en lugar del grado; ambos grados requieren medidas de control de la corrosión similares.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Corte: Se utilizan comúnmente el corte por plasma, oxicorte y llama; la resistencia ligeramente superior del Gr70 puede requerir un poco más de potencia, pero no cambia la selección del proceso.
• Maquinabilidad: Ambos grados se mecanizan de forma similar; la resistencia y dureza ligeramente superiores del grado 70 pueden aumentar marginalmente el desgaste de la herramienta.
• Conformado y doblado: El acero de grado 60 es ligeramente más conformable debido a su menor límite elástico; el acero de grado 70 requiere mayores fuerzas de conformado y radios de curvatura más ajustados. Para operaciones de conformado en frío con radios reducidos, el acero de grado 60 suele ser preferible cuando la resistencia no es la principal limitación.
• Acabado: La preparación de la superficie, el esmerilado y el acondicionamiento de los bordes siguen las prácticas estándar; cuando se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura para servicio a presión, se debe tener en cuenta en la secuencia de fabricación.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: Usos comunes para cada grado | A516 Grado 60 | A516 Grado 70 | |---|---| | Calderas y recipientes de baja a moderada presión donde el coste y la conformabilidad son importantes | Calderas, tanques de almacenamiento y recipientes a presión de alta presión donde se requiere una mayor tensión admisible | | Intercambiadores de calor y componentes fabricados que requieren un conformado o doblado más sencillo | Recipientes y tuberías sometidos a mayores tensiones o márgenes de seguridad más reducidos donde un mayor rendimiento es beneficioso | | Aplicaciones estructurales donde se requiere tenacidad a temperatura moderada pero la resistencia máxima no es crítica | Rehabilitaciones o reparaciones donde es necesario igualar la resistencia del material original |

Justificación de la selección: - Elija el grado 60 cuando la complejidad de fabricación, el doblado/conformado o un costo ligeramente menor sean la prioridad y la tensión de diseño permita un límite elástico menor. - Elija el grado 70 cuando el diseño requiera tensiones admisibles más altas, secciones más delgadas para la misma resistencia, o cuando el código o el cliente especifiquen el grado 70 para el servicio.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El grado 60 suele ser ligeramente menos costoso que el grado 70 por tonelada debido a un menor procesamiento para alcanzar los objetivos de resistencia; sin embargo, las diferencias de coste suelen ser modestas y dependen de las condiciones del mercado y la logística de la cadena de suministro.
• Disponibilidad: Ambos grados se encuentran ampliamente disponibles en fábricas de planchas y distribuidores en tamaños y espesores comunes para la fabricación de recipientes a presión. La disponibilidad por espesor, acabado superficial y ancho de plancha varía según la fábrica local; el grado 70 puede ser más común en algunas regiones para aplicaciones de alta presión.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación rápida | Métrico | A516 Grado 60 | A516 Grado 70 | |---|---:|---:| | Soldabilidad | Muy buena | Muy buena (prestar un poco más de atención a las secciones gruesas) | | Equilibrio entre resistencia y tenacidad | Resistencia moderada con buena tenacidad | Mayor resistencia manteniendo la tenacidad cuando se produce según las especificaciones | | Costo | Menor (a menudo) | Mayor (a menudo) |

Recomendaciones finales: Elija el acero A516 Grado 60 si necesita un conformado/doblado más sencillo, un coste de material ligeramente inferior o si las tensiones admisibles de diseño se satisfacen con una menor resistencia a la fluencia. Es ideal para recipientes a presión moderada, componentes que requieren una fabricación compleja y proyectos donde la velocidad de fabricación y la capacidad de doblado son prioritarias. Elija el acero A516 Grado 70 si su diseño requiere límites elásticos y resistencia a la tracción mínimos más altos (lo que permite secciones más delgadas o presiones de trabajo más elevadas) sin dejar de cumplir con los criterios de tenacidad de la especificación. El Grado 70 es preferible para recipientes a presión sometidos a mayores esfuerzos, placas más gruesas donde el margen de resistencia es crítico, o cuando el código o los requisitos del cliente exigen un grado superior.

Nota final: Confirme siempre los límites químicos exactos, los mínimos mecánicos y los requisitos de tenacidad en la edición vigente de ASTM A516/A516M y en la certificación de materiales del fabricante. Para equipos a presión soldados, siga los códigos de diseño aplicables (ASME Sección VIII o normativas locales), los procedimientos WPS cualificados y las prácticas de tratamiento térmico previo y posterior a la soldadura, determinadas por el valor calculado de $CE_{IIW}$ / $P_{cm}$, así como por el espesor y la temperatura de servicio.