GCr15 frente a GCr15SiMn: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros GCr15 y GCr15SiMn son aceros al cromo de alto carbono para rodamientos, frecuentemente utilizados en el diseño, la adquisición y la planificación de la fabricación de componentes. Al elegir entre ambos, los ingenieros y responsables de compras sopesan las ventajas y desventajas de la resistencia a la fatiga, la templabilidad, la maquinabilidad y el coste: uno es el acero al cromo para rodamientos de eficacia probada y el otro es una variante modificada con silicio y manganeso, diseñada para alterar la templabilidad y la respuesta al tratamiento térmico.

La principal diferencia técnica radica en que la variante enriquecida con Si y Mn se ajusta intencionalmente para aumentar la templabilidad y modificar la respuesta al revenido sin alterar la composición química base de alto carbono y cromo. Dado que ambas se utilizan en elementos laminados, ejes y piezas propensas al desgaste, este cambio específico en la aleación puede influir en la selección cuando las limitaciones de endurecimiento total, espesor de sección o procesamiento en horno son relevantes.

1. Normas y designaciones

• Equivalentes y referencias cruzadas internacionales comunes:
• China: GCr15 (GB); GCr15SiMn es normalmente un grado patentado o modificado producido según las especificaciones del cliente en lugar de un estándar nacional único.
• AISI/SAE: AISI 52100 (equivalente comúnmente referenciado a GCr15).
• EN (Europa): 100Cr6 (equivalente aproximado).
• JIS (Japón): SUJ2.
• Clasificación: Ambos son aceros para rodamientos con alto contenido de carbono y cromo. No son aceros inoxidables; son aceros aleados (para herramientas/rodamientos) especializados para el contacto de rodadura y la resistencia al desgaste, en lugar de para aplicaciones estructurales o resistentes a la corrosión.

2. Composición química y estrategia de aleación

Elemento	GCr15 (típico, según equivalentes comunes GB/AISI)	GCr15SiMn (rangos típicos modificados — dependen del proveedor)
do	0,95–1,05%	0,95–1,05%
Minnesota	0,25–0,45%	0,6–1,0% (aumentado para mejorar la templabilidad)
Si	0,15–0,35%	0,4–1,2% (aumentado para la desoxidación y la endurecimiento)
PAG	≤0,025%	≤0,025%
S	≤0,025%	≤0,025%
Cr	1,30–1,65%	1,30–1,65%
Ni	típicamente ≤0,25%	típicamente ≤0,25%
Mes	típicamente ≤0,08%	típicamente ≤0,08%
V, Nb, Ti, B, N	trazas/menores o controladas	trazas/menores o controladas

Notas: - El GCr15 es esencialmente la química del AISI 52100: alto contenido de carbono (~1,0%) y alrededor de 1,5% de Cr, con bajos niveles de otros elementos de aleación. GCr15SiMn designa un acero de la familia GCr15 en el que el contenido de Si y Mn se incrementa intencionalmente para modificar la templabilidad y la evolución de la microestructura; los porcentajes exactos varían según el fabricante y la especificación. Estos cambios son moderados (manteniéndose en consonancia con el comportamiento del acero para rodamientos) y tienen como objetivo promover un endurecimiento más profundo y controlar la austenita retenida y la respuesta al revenido.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono controla principalmente la templabilidad alcanzable, la dureza de la martensita y la resistencia al desgaste. - El cromo mejora la templabilidad, refina los carburos y contribuye a la resistencia a la abrasión. - El manganeso aumenta la templabilidad y la resistencia a la tracción, y actúa como desoxidante. - El silicio fortalece la matriz, ayuda a la desoxidación en la fabricación de acero y puede mejorar la templabilidad y la resistencia al revenido. - El azufre y el fósforo se mantienen bajos para evitar la fragilidad y reducir las inclusiones que perjudican la vida útil a la fatiga.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras y respuestas típicas del objetivo:

• GCr15:
• Después del tratamiento térmico convencional de los rodamientos (austenización → temple → revenido), la microestructura es predominantemente martensita revenida con carburos de cromo dispersos (principalmente de tipo M7C3/M3C dependiendo del tratamiento).

• En secciones gruesas, los límites de templabilidad pueden dar lugar a una capa martensítica más dura y un núcleo más blando (transformación parcial a bainita o perlita), lo que afecta al rendimiento a la fatiga.

• GCr15SiMn:

• Con mayores contenidos de Si y Mn, la transformación de austenita a martensita se desplaza, permitiendo un endurecimiento más profundo durante el temple. La microestructura tras un tratamiento térmico comparable tiende a presentar una martensita revenida más uniforme en las secciones más gruesas, con una morfología de carburos similar pero con una distribución potencialmente más fina debido a la modificación de la cinética de transformación.
• El aumento de Si puede retardar la precipitación de carburos durante el revenido, mejorando ligeramente la resistencia al revenido, pero puede aumentar la austenita retenida si no se controla.

Efecto de las rutas de procesamiento: - Normalización: ambos grados producen microestructuras refinadas de ferrita/perlita; la normalización se utiliza antes de las operaciones de acabado para mejorar la maquinabilidad. Temple y revenido: principal método de producción de componentes de rodamientos. El GCr15SiMn generalmente alcanza un endurecimiento efectivo mayor para una severidad de temple dada en comparación con el GCr15 base. - Procesamiento termomecánico: el laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden utilizarse para refinar los carburos y la matriz; los beneficios dependen de la aleación y del tamaño de la sección.

4. Propiedades mecánicas

Nota: Las propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico (recocido, normalizado, templado y revenido, endurecimiento por inducción). La tabla siguiente muestra rangos típicos e indicativos para material de calidad para rodamientos con tratamiento térmico completo (solo indicativos; verificar con los certificados de fábrica y los datos de las pruebas posteriores al tratamiento).

Propiedad	GCr15 (típico, templado y revenido / condición de rodamiento)	GCr15SiMn (típico, templado y revenido / condición de rodamiento)
Resistencia a la tracción (Rm)	~1200–2000 MPa (dependiendo del proceso)	~1300–2100 MPa (a menudo ligeramente superior debido a un endurecimiento más profundo)
Límite elástico (Rp0.2)	~900–1400 MPa	~950–1500 MPa
Alargamiento (A%)	~3–12% (menor a mayor dureza)	~3–10%
Resistencia al impacto (Charpy V)	Variable; generalmente moderada a alta dureza; mejora al templar.	Resistencia comparable o ligeramente inferior con la misma dureza si esta aumenta; mayor tenacidad del núcleo posible en secciones gruesas debido a un endurecimiento más uniforme.
Dureza (HRC)	Normalmente 58–66 HRC (pistas/rodillos de los rodamientos después del tratamiento)	Normalmente 58–66 HRC (dureza posiblemente más uniforme en toda la sección).

Interpretación: Con objetivos de dureza equivalentes, la resistencia intrínseca y la resistencia al desgaste son similares debido a que el contenido base de carbono/cromo es el mismo. La calidad modificada tiende a permitir una dureza más uniforme en secciones de mayor tamaño, lo que puede traducirse en una mayor resistencia efectiva y una mayor vida a fatiga para componentes más gruesos. La ductilidad y la tenacidad están relacionadas con la dureza; la selección y la temperatura de revenido deben reflejar la resistencia a la fatiga frente a la resistencia a la fractura requeridas.

5. Soldabilidad

Las consideraciones sobre soldabilidad giran en torno al alto contenido de carbono y la mayor templabilidad. El uso de fórmulas de equivalencia de carbono ayuda a estimar el riesgo de fisuración en frío y las necesidades de precalentamiento/postcalentamiento. Ejemplos de métricas:

• Instituto Internacional de Equivalente de Carbono en Soldadura: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Ito-Miyazaki o Pcm para una evaluación más conservadora: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: Ambos grados presentan un alto contenido en carbono (~1,0%), lo que genera un alto coeficiente de expansión térmica (CE/Pcm) y, por consiguiente, una baja soldabilidad intrínseca. Generalmente se requiere precalentamiento, control de la temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura para prevenir el agrietamiento en frío inducido por hidrógeno. El GCr15SiMn, con mayor contenido de Mn y Si, generalmente presenta un CE/Pcm superior al del GCr15 base, lo que indica una mayor templabilidad y un mayor riesgo de formación de una microestructura martensítica dura en la ZAT, a menos que se mitigue mediante controles de proceso. Por lo tanto, es necesario ajustar los procedimientos de soldadura (mayor precalentamiento y/o tratamiento térmico posterior a la soldadura, uso de material de aporte adecuado y técnicas de cordón de revenido). - Para muchos componentes de rodamientos, se evita la soldadura; se prefiere la unión mecánica o el acabado a partir de tochos forjados/laminados.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el GCr15 ni el GCr15SiMn son inoxidables; su resistencia a la corrosión está limitada por su bajo contenido de Cr en comparación con los aceros inoxidables.
• Las estrategias de protección típicas incluyen: lubricación de las superficies de apoyo, recubrimientos de fosfato o conversión, pintura y galvanizado cuando sea apropiado para el entorno de aplicación. Los rodamientos suelen lubricarse en lugar de recubrirse.
• PREN no es aplicable porque ninguno de los dos grados está diseñado ni formulado como acero inoxidable; sin embargo, a modo de ejemplo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice solo tiene sentido para aleaciones inoxidables con mayor contenido de Cr, Mo y N.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• En estado recocido, ambos grados presentan una maquinabilidad aceptable para torneado, fresado y rectificado. Los niveles de azufre suelen ser bajos, por lo que la maquinabilidad no mejora con aditivos de corte fácil.
• Tras el endurecimiento, el rectificado y el torneado duro son métodos de acabado habituales. Los carburos potencialmente más finos y la mayor dureza transversal del GCr15SiMn pueden aumentar el desgaste abrasivo de las herramientas.
• Conformabilidad/flexión:
• El alto contenido de carbono limita el conformado en frío; los procesos suelen implicar el conformado/forjado en caliente seguido de un tratamiento térmico.
• Acabado superficial:
• El rectificado, el superacabado y el pulido por contacto rodante son procesos estándar. La distribución de los carburos y la dureza de la matriz influyen en el acabado superficial alcanzable y en el estado de tensiones residuales.

8. Aplicaciones típicas

GCr15	GCr15SiMn
Anillos y elementos rodantes (pistas, bolas, rodillos) de rodamientos de bolas y rodillos	Elementos rodantes de mayor sección, cojinetes de gran diámetro donde se requiere un endurecimiento más profundo
Ejes de precisión, husillos, rodamientos de agujas	Componentes con una variación de sección moderada que requieren una dureza más uniforme en todo su espesor.
Componentes de desgaste donde se requiere alta dureza y carburos finos	Aplicaciones en las que las piezas no pueden someterse a un enfriamiento rápido pero requieren propiedades del núcleo mejoradas; algunos componentes de rodamientos laminados en frío/formalizados.

Justificación de la selección: - Elija la base GCr15 para componentes de rodamientos de tamaño estándar y cuando un control estricto de las prácticas tradicionales de tratamiento térmico de rodamientos (endurecimiento por inducción o cementación) sea suficiente y el costo/disponibilidad sean prioridades. - Elija la versión modificada con SiMn cuando la geometría de la pieza o el tamaño de la sección requieran un endurecimiento integral mejorado con respecto al temple convencional para lograr una mayor vida útil a la fatiga y beneficios en la capacidad de carga, o cuando el control de procesos específico del proveedor demuestre un mejor rendimiento para el componente previsto.

9. Costo y disponibilidad

• El GCr15 (AISI 52100/100Cr6) se produce ampliamente y está disponible en muchas fábricas de todo el mundo en forma de barras, anillos, forjados y cojinetes terminados; por lo tanto, generalmente tiene un costo más bajo y un suministro estable.
• El GCr15SiMn puede fabricarse bajo pedido o ser suministrado por un grupo más reducido de molinos como una modificación especial; el coste directo de los materiales puede ser ligeramente superior y los plazos de entrega pueden ser más largos para composiciones químicas a medida o variantes certificadas por el proveedor.
• La disponibilidad varía según el formato: las barras y los anillos de cojinetes estándar de GCr15 son comunes; los anillos de GCr15SiMn tratados térmicamente a medida o las piezas forjadas de gran tamaño pueden requerir un plazo de entrega adicional.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Atributo	GCr15	GCr15SiMn
soldabilidad	Baja (alta C, requiere precalentamiento/PWHT)	Menor (mayor CE/Pcm debido al Mn/Si adicional)
Resistencia – Tenacidad (tal como se trata)	Alta dureza superficial; las propiedades del núcleo dependen de la sección	Dureza superficial similar; endurecimiento integral mejorado para secciones más gruesas
Costo	Más bajo, ampliamente disponible	Un poco más alto, más especializado

Conclusiones: - Elija GCr15 si necesita un acero para rodamientos bien establecido con certificación de fábrica fácilmente disponible, rutas de procesamiento estándar y suministro rentable para componentes típicos de elementos rodantes en tamaños convencionales. - Elija GCr15SiMn si su componente tiene secciones transversales más grandes o una geometría compleja donde se requiere un endurecimiento más profundo y uniforme para cumplir con los objetivos de vida a fatiga o de capacidad de carga, y está dispuesto a aceptar un costo de material ligeramente mayor o procedimientos de procesamiento ajustados (tratamiento térmico y soldadura).

Recomendación final: validar los certificados de materiales del proveedor, solicitar mapas de microestructura y dureza en secciones críticas y realizar ensayos de fatiga o fatiga por contacto a nivel de componente en condiciones de servicio exigentes. Para conjuntos soldados o donde el rendimiento posterior a la soldadura sea crítico, priorizar diseños que eviten la soldadura o que empleen procedimientos y ensayos de soldadura cualificados, debido al alto contenido de carbono y la mayor templabilidad de estos aceros.