GCr15 frente a GCr15SiMnMo: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros GCr15 y GCr15SiMnMo son aceros para rodamientos de cromo con alto contenido de carbono, estrechamente relacionados, que se utilizan donde se requiere resistencia a la fatiga por contacto de rodadura, dureza y estabilidad dimensional. Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen sopesar las ventajas y desventajas entre coste, maquinabilidad, templabilidad y tenacidad en servicio al elegir entre ambos: el GCr15 es un acero para rodamientos estandarizado, optimizado para una alta dureza y resistencia al desgaste a un coste competitivo, mientras que el GCr15SiMnMo presenta una composición química modificada destinada a mejorar la templabilidad y la tenacidad transversal para componentes de mayor tamaño o sometidos a cargas más elevadas.

La principal diferencia radica en que la segunda variante introduce un aumento intencional de silicio y manganeso, además de la adición de molibdeno a la aleación base GCr15, lo que da como resultado una estrategia de aleación compuesta para incrementar la templabilidad y la resistencia al revenido. Dado que ambos materiales comparten la misma denominación base, se comparan habitualmente para aplicaciones en cojinetes, ejes, rodillos y elementos de máquinas sometidos a altas cargas, donde el tratamiento térmico y la microestructura final determinan el rendimiento.

1. Normas y designaciones

• GCr15
• Estándares comunes: GB/T 3077 (China) / equivalente JIS: SUJ2; aproximadamente equivalente a AISI 52100 en los EE. UU.
• Categoría: Acero para rodamientos de cromo con alto contenido de carbono (no inoxidable).
• GCr15SiMnMo
• Se trata de una variante modificada/mejorada de GCr15 utilizada por algunos fabricantes para mejorar propiedades específicas; normalmente se suministra con límites químicos propios o especificados por el cliente, en lugar de un único estándar internacional.
• Categoría: Acero para rodamientos aleado de alto carbono (no inoxidable) — las adiciones de aleación lo sitúan entre los aceros para rodamientos lisos y los aceros estructurales de mayor aleación.

Nota: Debido a que GCr15SiMnMo suele ser un grado especificado por el fabricante, verifique el certificado de análisis (CoA) para conocer la composición exacta y cualquier norma local aplicable o especificación del proveedor.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos típicos de elementos y estrategia de aleación. Para GCr15, los rangos mostrados siguen las especificaciones nacionales de uso común; para GCr15SiMnMo, la composición es específica del proveedor; las celdas indican la dirección típica del cambio con respecto a GCr15 y su función metalúrgica.

Elemento	GCr15 (típico según estándar)	GCr15SiMnMo (típico / relativo)
do	0,95–1,05%	En general similares (alta dureza y resistencia al desgaste)
Minnesota	0,25–0,45%	A menudo se aumenta por encima de GCr15 para mejorar la endurecimiento y la desoxidación.
Si	0,17–0,37%	A menudo se aumenta en relación con GCr15 para mejorar la resistencia y la desoxidación, así como la resistencia al temple.
PAG	≤0,025%	Controlado a niveles bajos (≤0,03) — dependiente de la especificación
S	≤0,025%	Controlado a niveles bajos — depende de las especificaciones
Cr	1,40–1,65%	Generalmente similares (Cr para carburos y resistencia al desgaste)
Ni	– (generalmente rastro)	Normalmente se añaden trazas o no se añaden intencionadamente.
Mes	trazas: ninguna en la base GCr15	Se añade (en pequeño porcentaje) para aumentar la templabilidad y la resistencia al revenido.
V, Nb, Ti, B	generalmente bajo/trazas	Generalmente ausente o en cantidades mínimas de microaleación, dependiendo del productor
norte	rastro	trazas; controlado principalmente por consideraciones de limpieza y nitruración.

Cómo afecta la aleación al rendimiento - Carbono: templabilidad primaria y formador de carburos — proporciona dureza y resistencia al desgaste cuando se templa y revene. - Cromo: forma carburos (Cr7C3/Cr23C6) mejorando la resistencia al desgaste y al revenido; también refina la estabilidad de la martensita. - Silicio: aumenta la resistencia y la resistencia al revenido, contribuye a la desoxidación durante la fabricación del acero; un exceso de Si puede reducir la maquinabilidad. - Manganeso: mejora la templabilidad y contrarresta la fragilidad causada por el azufre; aumenta la tenacidad cuando se controla. - Molibdeno: aumenta significativamente la templabilidad y modifica las temperaturas de inicio y finalización de la martensita; mejora la resistencia al revenido y reduce el riesgo de ablandamiento en secciones gruesas.

Debido a que GCr15SiMnMo combina deliberadamente altos niveles de Si y Mn con Mo, su estrategia de aleación apunta a un mejor endurecimiento transversal y una mayor tenacidad retenida en secciones transversales grandes, manteniendo al mismo tiempo las características de rodamiento base de GCr15.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - GCr15 (después de tratamientos térmicos comunes) - Recocido: carburos esferoidizados dispersos en ferrita — blando, mecanizable. - Normalizado/templado: distribución fina de perlita/carburo; depende del enfriamiento. - Templado y revenido (endurecimiento por contacto): matriz martensítica con carburos revenidos; muy duro con austenita bainítica delgada o austenita retenida dependiendo de la severidad del temple. - GCr15SiMnMo Tras tratamientos comparables, las tendencias microestructurales son similares (martensita + carburos), pero el Mo y el aumento de la relación Mn/Si favorecen un endurecimiento más profundo y uniforme en toda la sección. La martensita revenida puede ser más tenaz y menos propensa a la fractura frágil en piezas de mayor espesor.

Respuesta al tratamiento térmico (comparativa): - Normalización: ambos grados refinan el tamaño del grano; el GCr15SiMnMo puede requerir un ciclo ajustado para asegurar una transformación homogénea. - Temple y revenido: GCr15 alcanza una alta dureza en secciones moderadas; GCr15SiMnMo alcanza una dureza similar de manera más uniforme en secciones más grandes y demuestra una mejor resistencia al revenido (menor ablandamiento a temperaturas de revenido elevadas). - Procesamiento termomecánico: ambos se benefician del laminado y recocido controlados para optimizar la morfología del carburo; la variante aleada a menudo tolera un procesamiento más agresivo para lograr el equilibrio deseado entre dureza y tenacidad.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Descriptores de propiedades comparativas (los valores finales dependen del tratamiento térmico y del tamaño de la sección; verifique los datos del proveedor).

Propiedad	GCr15 (típico después del endurecimiento del rodamiento)	GCr15SiMnMo (típico después de un endurecimiento similar)
Resistencia a la tracción	Muy alta (típica del acero al carbono endurecido)	Comparable a valores superiores (ligeramente mejorado para secciones más grandes debido a una mejor templabilidad).
Resistencia a la fluencia	Alta pero dependiente de la dureza	Comparable o ligeramente superior en las partes más gruesas.
Alargamiento (%)	Baja a moderada después del endurecimiento (ductilidad limitada)	Similar o ligeramente mejorada debido a una mayor resistencia.
Resistencia al impacto	De moderado a bajo en secciones delgadas; disminuye con el tamaño de la sección.	En general, mejora con respecto a GCr15 en secciones más grandes debido a las adiciones de Mo/Mn/Si.
Dureza (HRC)	Puede endurecerse hasta aproximadamente 58-64 HRC en condiciones de endurecimiento total.	Dureza máxima alcanzable similar; mayor uniformidad en secciones transversales más grandes; mejor resistencia al revenido

Explicación - El GCr15 proporciona una excelente dureza y resistencia al desgaste en secciones transversales pequeñas a moderadas cuando se trata térmicamente de forma adecuada, pero su tenacidad y endurecimiento total disminuyen en componentes más grandes. - La combinación de un mayor contenido de silicio y manganeso con la adición de molibdeno en la calidad modificada aumenta la templabilidad y conserva las propiedades de los templetes, de modo que las piezas más gruesas desarrollan un equilibrio más deseable entre dureza y tenacidad.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está controlada principalmente por el equivalente de carbono y la templabilidad; las adiciones de aleación que aumentan la templabilidad incrementan la susceptibilidad al agrietamiento en las zonas afectadas por el calor (ZAC) de la soldadura.

Fórmulas comunes de equivalentes de carbono y parámetros: - Utilizar para evaluación cualitativa: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación (cualitativa) - GCr15: el alto contenido de carbono da como resultado un equivalente de carbono elevado; normalmente se requiere precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) controlado; la selección del acero de aporte y las prácticas de bajo hidrógeno son esenciales. - GCr15SiMnMo: la presencia de Mo y el aumento de la relación Mn/Si incrementan $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ con respecto al valor base, aumentando el riesgo de endurecimiento de la ZAT y la posibilidad de fisuración en frío. El precalentamiento, las temperaturas controladas entre pasadas y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) adecuado son aún más importantes; a menudo se requieren consumibles y procedimientos de soldadura especializados. En resumen: ambos grados no son altamente soldables sin precauciones; la variante aleada generalmente requiere controles de soldadura más estrictos.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el GCr15 ni el GCr15SiMnMo son aceros inoxidables; su resistencia a la corrosión es limitada y depende principalmente de los recubrimientos de barrera.
• Estrategias de protección comunes: electrogalvanizado o galvanizado en caliente (sujeto a restricciones dimensionales y de tratamiento térmico), recubrimientos de conversión de fosfato, pinturas industriales o recubrimientos duros locales (por ejemplo, nitruración, PVD/CVD o cromo duro) para resistencia al desgaste y a la corrosión.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros para rodamientos que no son inoxidables; a modo de referencia, el PREN se calcula como: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Pero debido a que el Cr es bajo (~1,5%) y el N es mínimo, los valores PREN para estos grados son irrelevantes para las comparaciones de resistencia a la corrosión por picaduras.
• Cuando la corrosión sea una preocupación importante en el servicio, se deben considerar aceros para cojinetes inoxidables (por ejemplo, AISI 440C) o tratamientos superficiales en lugar de depender de variantes de GCr15.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad
• En estado recocido, ambos grados son mecanizables; el GCr15 en estado recocido estándar presenta una maquinabilidad razonable. El aumento de Si y Mn, junto con la presencia de Mo en el grado modificado, puede reducir ligeramente la maquinabilidad debido a la mayor dureza de los carburos y su mayor resistencia.
• El mecanizado final después del endurecimiento resulta complejo para ambos procesos; el rectificado es habitual para obtener las dimensiones finales y las superficies de apoyo.
• Conformabilidad/Pliegue
• Al ser aceros con alto contenido de carbono, estos grados tienen una conformabilidad limitada cuando se endurecen; la conformación se realiza únicamente en estado blando (recocido).
• Refinamiento
• El rectificado de precisión, el superacabado y el bruñido son procesos estándar para las superficies de los cojinetes. El control de la distorsión durante el tratamiento térmico y las estrategias de endurecimiento posteriores al rectificado forman parte de la planificación del proceso.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: Usos típicos

GCr15	GCr15SiMnMo
Rodamientos rígidos de bolas, rodillos, ejes pequeños, rodamientos de agujas, anillos donde se requiere endurecimiento total en secciones moderadas	Cojinetes más pesados, rodillos grandes, coronas de giro, ejes grandes, rodillos de servicio pesado y componentes donde se requiere un endurecimiento más profundo y una mayor tenacidad en secciones transversales grandes
Componentes de rodamientos de precisión para motores, cajas de cambios y maquinaria pequeña.	Elementos rotatorios sometidos a cargas elevadas, cojinetes industriales de gran tamaño, componentes sometidos a fatiga cíclica en secciones más gruesas.

Justificación de la selección - Elija la base GCr15 para piezas pequeñas y medianas donde los aceros para rodamientos estándar alcancen la dureza, la resistencia al desgaste y la rentabilidad requeridas. - Elija la variante modificada Si–Mn–Mo cuando los componentes sean grandes o tengan un espesor de sección que dificulte el endurecimiento total, o cuando se necesite una mayor resistencia al revenido y un rendimiento más exigente en la ZAT.

9. Costo y disponibilidad

• GCr15: ampliamente disponible en barras, anillos y discos para cojinetes; el costo es generalmente más bajo porque la química está estandarizada y el volumen de producción es alto.
• GCr15SiMnMo: su disponibilidad depende del proveedor; a menudo se fabrica bajo pedido o como parte de la línea de aceros especiales para rodamientos del proveedor. Su coste suele ser superior al del GCr15 estándar debido a la adición de aleaciones y a una coordinación más estricta de la calidad y el tratamiento térmico.
• Formatos del producto: disponible en barras, piezas forjadas, anillos y componentes terminados. La disponibilidad en stock favorece al GCr15.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación rápida (valoraciones cualitativas: Alto / Moderado / Bajo)

Característica	GCr15	GCr15SiMnMo
soldabilidad	Bajo (requiere precalentamiento/PWHT)	Menor (mayor riesgo de endurecimiento de la zona afectada por el calor; controles más estrictos)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta dureza, tenacidad moderada (dependiente de la sección)	Mayor tenacidad transversal para piezas de mayor tamaño; dureza máxima similar alcanzable
Costo	Inferior (estandarizado, ampliamente disponible)	Mayor (aleación y suministro especializado)

Conclusiones y recomendaciones - Elija GCr15 si: - Usted produce rodamientos o rodillos de tamaño pequeño a mediano donde la composición química estandarizada del acero para rodamientos proporciona una templabilidad y una vida útil adecuadas. El coste y la amplia disponibilidad son consideraciones primordiales, y el tratamiento térmico estándar puede lograr la dureza y la vida útil a la fatiga deseadas. - Elija GCr15SiMnMo si: - Los componentes tienen secciones grandes o requieren un endurecimiento más profundo y una tenacidad retenida superior después del revenido. - Necesita una mejor resistencia al revenido, un mejor rendimiento a la fatiga en piezas más gruesas o un rendimiento específico que la aleación certificada por el proveedor pueda ofrecer, y puede aceptar el mayor coste de los materiales y del procesamiento, así como controles de soldadura/fabricación más estrictos.

Nota final: Debido a que GCr15SiMnMo es un grado modificado que varía según el productor, siempre solicite al proveedor el análisis químico y las recomendaciones de tratamiento térmico, y especifique las propiedades mecánicas requeridas y la inspección posterior al tratamiento (mapeo de dureza, metalografía, control de tensiones residuales) para garantizar que el rendimiento del componente cumpla con las condiciones de servicio previstas.