GCr15 frente a 100CrMn6: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

El GCr15 y el 100CrMn6 son dos aceros para rodamientos con alto contenido de carbono que se suelen considerar para elementos rodantes, anillos, rodillos y componentes de desgaste. Al elegir entre ellos, los ingenieros y los profesionales de compras a menudo deben sopesar criterios contrapuestos: máxima vida útil a la fatiga por contacto y alta dureza frente a una tenacidad, maquinabilidad y coste óptimos. En contextos típicos de decisión, como en el diseño de rodamientos y ejes, la resistencia al desgaste, la estabilidad superficial y el coste por kilogramo deben equilibrarse con la soldabilidad y la complejidad del postprocesamiento.

La principal diferencia técnica entre ambos radica en sus estrategias de aleación: uno prioriza el cromo para mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste, mientras que el otro se basa en un mayor contenido de manganeso con una cantidad moderada de cromo para ajustar la templabilidad y la tenacidad. Esta diferencia genera variaciones en la evolución de la microestructura, la respuesta al tratamiento térmico, el rendimiento mecánico y las consideraciones de fabricación.

1. Normas y designaciones

• GCr15
• Sinónimos comunes: GCr15 (China), 52100 (equivalente informal SAE/AISI), EN 100Cr6 (equivalente cercano europeo).
• Clasificación: Acero para rodamientos de cromo con alto contenido de carbono (familia de aceros para herramientas/aleaciones de alto contenido de carbono para rodamientos).
• 100CrMn6
• Sinónimos comunes: 100CrMn6 (variante de designación europea), a veces mencionado en normas nacionales para aceros al cromo-manganeso de alto carbono.
• Clasificación: Acero al cromo-manganeso de alto carbono (variante de acero para rodamientos/desgaste con Mn como elemento de aleación principal).

Las normas que pueden incluir o hacer referencia a estos tipos son: GB (China), EN (UE), ASTM/ASME (equivalentes y referencias cruzadas en EE. UU.) y JIS (Japón). En la práctica, la selección suele basarse en los grados disponibles localmente y sus equivalentes reconocidos internacionalmente (p. ej., EN 100Cr6 / AISI 52100 para GCr15).

2. Composición química y estrategia de aleación

Elemento	GCr15 (nominal típico)	100CrMn6 (nominal típico)
do	~0,95–1,05%	~0,95–1,05%
Minnesota	~0,25–0,45%	~1,0–1,6%
Si	~0,15–0,35%	~0,15–0,35%
PAG	≤0,025% (máx.)	≤0,025% (máx.)
S	≤0,025% (máx.)	≤0,025% (máx.)
Cr	~1,3–1,7%	~0,6–1,1%
Ni	típicamente rastrean	típicamente rastrean
Mo, V, Nb, Ti, B, N	típicamente trazas o niveles bajos controlados	típicamente trazas o niveles bajos controlados

Notas: - Los valores anteriores son rangos nominales típicos utilizados en los resúmenes de especificaciones; las normas específicas establecen los límites exactos. Ambos son aceros con alto contenido de carbono (~1% C). El GCr15 enfatiza un mayor contenido de Cr (para la formación de carburos y la templabilidad), mientras que el 100CrMn6 aumenta el contenido de Mn (para mejorar la templabilidad y fortalecer las microestructuras templadas) con un contenido moderado de Cr.

Cómo afecta la aleación al rendimiento: - Carbono (~1%): principal contribuyente a la dureza y resistencia al desgaste alcanzables a través de la formación de martensita y carburo; aumenta la resistencia pero reduce la soldabilidad y la ductilidad. - Cromo: promueve la templabilidad y forma carburos de cromo, mejorando la resistencia al desgaste y la estabilidad del revenido. - Manganeso: aumenta la templabilidad, mejora la resistencia al temple y la tenacidad al impacto, y contrarresta la fragilización por azufre; un exceso de Mn puede complicar el control de la descarburación. - Silicio, oligoelementos: afectan la desoxidación, la resistencia y el comportamiento del grano; el control de la presión/estabilización mejora la vida a fatiga.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - En estado recocido o normalizado, ambos aceros presentan microestructuras perlíticas/ferríticas con carburos esferoidizados después de los recocidos de esferoidización. Tras el temple desde las temperaturas de austenización adecuadas y el revenido, ambos materiales forman matrices martensíticas con carburos dispersos. La fracción volumétrica y la dispersión de los carburos difieren debido al equilibrio entre Cr y Mn.

Comportamiento ante el tratamiento térmico: - Normalización: refina el tamaño del grano y produce una perlita fina; se utiliza como paso preparatorio para un endurecimiento posterior. Temple y revenido: ambos procesos responden bien. Un alto contenido de carbono permite obtener una alta dureza (martensita) tras el temple en aceite o aire, dependiendo del tamaño de la sección y la aleación. El GCr15 (con mayor contenido de Cr) suele tener una templabilidad ligeramente superior y una mayor capacidad para formar martensita uniforme en secciones de mayor tamaño. El 100CrMn6 (con mayor contenido de Mn) también mejora la templabilidad, pero tiende a producir una martensita más tenaz y menos frágil para una dureza dada cuando está optimizado. - Recocido de esferoidización: común antes del mecanizado para producir estructuras perlíticas/esferoidizadas suaves y dúctiles. - Tratamientos termomecánicos: para aplicaciones especiales se puede utilizar laminación controlada seguida de temple para optimizar la tenacidad y las propiedades de fatiga; ambos grados se pueden adaptar mediante diferentes procesos.

Comportamiento del grano y del carburo: - El cromo forma carburos más duros y estables que mejoran la resistencia al desgaste a temperaturas elevadas de dureza y revenido. - El manganeso permanece principalmente en solución sólida, contribuyendo a la templabilidad, en lugar de formar carburos discretos.

4. Propiedades mecánicas

Propiedades (después del tratamiento térmico)	GCr15 (típico)	100CrMn6 (típico)
Resistencia a la tracción	~1200–2000 MPa (dependiendo del endurecimiento)	~1100–1800 MPa
Fuerza de fluencia	~900–1600 MPa	~800–1400 MPa
Alargamiento (A5)	~1–12% (menor a alta dureza)	~1,5–12%
Resistencia al impacto (KV)	De baja a moderada, muy dependiente del templado.	Moderado; a menudo ligeramente superior a GCr15 con la misma dureza.
Dureza (HRC)	~58–66 HRC (con tratamientos térmicos de rodamiento)	~55–64 HRC

Interpretación: El GCr15 suele alcanzar una dureza máxima y una resistencia al desgaste ligeramente superiores debido a su mayor contenido de cromo y a la estabilización de los carburos. Esto se traduce en una mayor resistencia máxima a la fatiga por contacto en contactos rodantes correctamente lubricados. - La aleación 100CrMn6 tiende a ofrecer un equilibrio entre dureza y tenacidad mejorada a niveles de dureza comparables debido a una mayor contribución del Mn a la templabilidad y una menor fragilidad de los carburos, lo que la convierte en una mejor opción cuando se requieren impactos ocasionales o mayores márgenes de tenacidad. Todas las propiedades varían considerablemente con la temperatura de austenización, el medio de enfriamiento, el tamaño de la sección y el programa de revenido; los valores anteriores son rangos típicos que se observan en los tratamientos térmicos para rodamientos.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de ambos grados es compleja debido a su alto contenido de carbono. La templabilidad y la microaleación aumentan el riesgo de fisuración en frío y formación de martensita en la zona afectada por el calor.

Fórmulas predictivas útiles: - Equivalente de carbono (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - PCM más detallado: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Interpretación cualitativa: - Ambos aceros suelen tener valores altos de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ debido a ~1% de C más aleación; esto indica una soldabilidad deficiente mediante soldadura por fusión ordinaria sin precalentamiento ni tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). El GCr15 (con mayor contenido de Cr) suele presentar una mayor tendencia a la formación de martensita dura y quebradiza en la zona afectada por el calor (ZAC), lo que requiere un precalentamiento cuidadoso y un enfriamiento lento o un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). El mayor contenido de Mn del 100CrMn6 también aumenta su templabilidad, lo que igualmente exige procedimientos controlados. - Buenas prácticas: evitar la soldadura siempre que sea posible; si la soldadura es necesaria, utilizar métodos de bajo aporte térmico, precalentar para reducir la velocidad de enfriamiento, emplear metales de aporte adecuados y realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para reducir las tensiones residuales y la dureza en la ZAT.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el GCr15 ni el 100CrMn6 son inoxidables. Su resistencia a la corrosión se limita a la que ofrece un contenido moderado de cromo; son susceptibles a la oxidación en ambientes húmedos o corrosivos.
• Protecciones típicas: engrase, chapado (zinc, níquel), fosfatado, pintura o recubrimientos de conversión. Para elementos rodantes, se utilizan grasas protectoras y diseños sellados de serie.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros no inoxidables. A modo de referencia, la fórmula del PREN para aleaciones inoxidables es: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• La selección para entornos corrosivos debería orientarse hacia grados de rodamientos de acero inoxidable (por ejemplo, AISI 440C) o utilizar ingeniería de superficies (recubrimientos, carburización y luego chapado) en lugar de confiar en la resistencia del metal base.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• En estado blando o esferoidizado, ambos son mecanizables; un mayor contenido de carbono y carburos aumenta el desgaste de la herramienta cuando se endurece.
• El GCr15 (con mayor contenido de Cr/carburos) puede ser más abrasivo para las herramientas en el mecanizado y rectificado que el 100CrMn6 de dureza equivalente.
• La aleación 100CrMn6 con mayor contenido de Mn suele formar microestructuras más resistentes y homogéneas cuando se templa, lo que a veces facilita ligeramente las operaciones de rectificado y torneado.
• El conformado en frío está limitado por el alto contenido de carbono; el conformado se realiza normalmente en estado recocido (esferoidizado) para evitar el agrietamiento.
• Acabado superficial: Ambos requieren un rectificado fino para las superficies de apoyo; el GCr15 puede requerir selecciones de muelas ligeramente diferentes debido al contenido de carburo.

8. Aplicaciones típicas

GCr15 (usos típicos)	100CrMn6 (usos típicos)
Bolas, rodillos, anillos y pistas de rodamiento de precisión para un contacto de rodadura de larga duración.	Elementos de cojinetes donde se requiere mayor tenacidad; rodillos, pasadores, ejes sometidos a impactos y desgaste mixtos.
Ejes de alto desgaste y herramientas de trabajo en frío que requieren una alta vida útil a la fatiga por contacto	Componentes que requieren un endurecimiento integral mejorado y una tenacidad ligeramente superior (por ejemplo, algunos rodamientos de rodillos pesados).
Rodamientos de alta precisión en máquinas herramienta, rodamientos de ruedas de automóviles (donde la alta dureza y la vida útil a la fatiga son críticas).	Aplicaciones donde se prioriza el mecanizado y un margen de zona afectada por el calor (ZAC) más estricto; algunos tipos especiales de rodamientos y piezas de desgaste

Justificación de la selección: - Elija GCr15 cuando la máxima vida útil por fatiga de contacto, la alta dureza superficial y los entornos de lubricación bien controlados sean requisitos primordiales. - Elija 100CrMn6 cuando sean importantes una tenacidad volumétrica ligeramente superior, un endurecimiento total en secciones más gruesas o una maquinabilidad marginalmente mejorada y un equilibrio entre costes y calidad.

9. Costo y disponibilidad

• Ambos grados se producen ampliamente en las principales regiones siderúrgicas. La disponibilidad según el formato del producto (barra, anillo, chapa) depende de las cadenas de suministro locales.
• El GCr15 (un acero para rodamientos de uso común y designación china) suele ser abundante y a menudo competitivo en precio en los mercados asiáticos.
• La aleación 100CrMn6 puede aparecer en algunos catálogos europeos y su precio puede ser competitivo en las acerías regionales que la suministran. Las diferencias de coste son mínimas en comparación con las etapas de procesamiento y acabado (molienda, tratamiento térmico, control de calidad).
• El coste final de entrega está fuertemente influenciado por el tratamiento térmico requerido, las tolerancias dimensionales, el rectificado y la inspección, más que por la aleación base por sí sola.

10. Resumen y recomendación

Atributo	GCr15	100CrMn6
soldabilidad	Deficiente (alta CE; necesita precalentamiento/PWHT)	Deficiente (alta CE; necesita precalentamiento/PWHT)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Mayor dureza máxima y resistencia al desgaste; tenacidad algo menor a igual dureza.	Tenacidad ligeramente superior con una dureza comparable; buen endurecimiento total
Costo	Ampliamente disponible; competitivo (especialmente en Asia).	Similar; la disponibilidad regional puede afectar el precio

Conclusión: - Elija GCr15 si necesita la máxima dureza superficial y vida útil a la fatiga por contacto de rodadura en aplicaciones de rodamientos de precisión, y puede controlar el tratamiento térmico, el rectificado y la lubricación (por ejemplo, pistas de rodamientos de precisión, bolas, rodillos). - Elija 100CrMn6 si necesita un acero para rodamientos de alto carbono similar, pero con un margen de tenacidad ligeramente superior y un endurecimiento integral mejorado para secciones más gruesas o aplicaciones sometidas a cargas de choque, o cuando el suministro regional favorezca esta composición.

Consejos prácticos finales: Especifique la dureza final requerida, las tensiones residuales admisibles y el proceso de fabricación (esferoidización para mecanizado; temple y revenido para la dureza final), en lugar de solo la designación del material base. Para componentes críticos, solicite certificados de materiales y registros de tratamiento térmico (microestructura, mapa de dureza) y, cuando la soldadura sea inevitable, planifique procedimientos cualificados con precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura.