GCr18 frente a GCr18Mo: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros GCr18 y GCr18Mo son aceros al cromo de alto carbono para cojinetes y aleaciones, ampliamente utilizados en elementos rodantes, ejes y piezas resistentes al desgaste. Al elegir entre ellos, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen sopesar las ventajas y desventajas de la vida a fatiga, la resistencia al desgaste, la templabilidad, la soldabilidad y el coste. Algunos contextos típicos de decisión incluyen la selección de un grado para cojinetes de gran sección, el diseño de componentes que requieren endurecimiento total frente a endurecimiento superficial, o la elección de un material que pueda producirse de forma fiable en grandes secciones transversales.

La principal diferencia metalúrgica radica en la adición deliberada de molibdeno al GCr18Mo para aumentar la templabilidad y mejorar la resistencia al desgaste y al revenido en comparación con el GCr18 puro. Debido a esto, ambos grados se comparan en el diseño y la fabricación, donde el tamaño de la sección, la respuesta al tratamiento térmico y el desgaste en servicio son críticos.

1. Normas y designaciones

• Equivalentes y estándares nacionales e internacionales comunes:
• GB (China): GCr18, GCr18Mo (nomenclatura nacional china para aceros de rodamientos/aleaciones).
• EN (Europa): Estrechamente relacionado con 100Cr6 / 1.3505 (para GCr18); se puede especificar una variante que contiene Mo bajo grados 1.3505 modificados o designaciones EN específicas.
• AISI/SAE: 52100 / SAE 52100 es similar a GCr15/100Cr6; GCr18 se compara a menudo con estos aceros para rodamientos en cuanto a composición química y aplicación, pero la equivalencia exacta depende de los límites.
• JIS (Japón): Aceros para rodamientos similares aparecen en JIS, pero la correspondencia directa de designación uno a uno requiere consultar las tablas de composición.
• Clasificación:
• Tanto el GCr18 como el GCr18Mo son aceros de aleación con alto contenido de carbono y cromo que se utilizan habitualmente como aceros para rodamientos/herramientas/resistencia al desgaste en lugar de aceros inoxidables o aceros estructurales HSLA.

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente muestra los rangos típicos de elementos para formulaciones representativas de GCr18 y GCr18Mo. Los límites exactos varían según la norma, el fabricante y las especificaciones del tratamiento térmico; se recomienda a los usuarios consultar el certificado de fábrica o la norma aplicable para la adquisición.

Elemento	GCr18 típico (en peso %)	GCr18Mo típico (en peso %)
do	0,95 – 1,05	0,95 – 1,05
Minnesota	0,20 – 0,40	0,20 – 0,40
Si	0,10 – 0,40	0,10 – 0,40
PAG	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,025	≤ 0,025
Cr	1.30 – 1.70	1.30 – 1.70
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mes	≤ 0,03	0,10 – 0,30
V	≤ 0,03	≤ 0,03
Nb/Ti/B/N	Niveles de código/seguimiento	Niveles de código/seguimiento

Notas: - El alto contenido de carbono permite una elevada dureza y resistencia al desgaste tras el temple y el revenido. - El cromo proporciona templabilidad, resistencia al desgaste y formación de carburos. - El molibdeno en GCr18Mo se añade en pequeñas cantidades para aumentar la templabilidad y la resistencia al revenido; también refina la respuesta al revenido y reduce el riesgo de microestructuras frágiles por temple en secciones más grandes. - Los elementos minoritarios (V, Nb, Ti) normalmente están presentes solo en cantidades traza o como microaleación deliberada, dependiendo de la práctica del proveedor.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El C y el Cr controlan la dureza alcanzable y la estructura del carburo: un mayor contenido de C aumenta la dureza pero reduce la soldabilidad. - El Cr en el nivel de 1,3–1,7% contribuye al endurecimiento secundario y a la resistencia al desgaste, pero no hace que el acero sea inoxidable. - El Mo aumenta la templabilidad, eleva la resistencia al revenido (conserva la dureza a temperaturas de revenido más altas) y puede mejorar la vida útil a la fatiga por contacto de rodadura. - El Mn y el Si son desoxidantes y contribuyen modestamente a la templabilidad y la resistencia.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas y el efecto del procesamiento:

• Tal como se enrolla/normalizado:

• Ambos grados presentan una matriz de carburo perlítico o esferoidizado, dependiendo del tratamiento térmico de recocido. Los ciclos de normalización/refinado producen una perlita fina y carburos retenidos adecuados para el posterior tratamiento de temple y revenido.

• Temple y revenido:

• Endurecimiento típico: austenización (p. ej., 780–840 °C, según la sección y las especificaciones), seguida de temple en aceite o en aire para geometrías específicas. El revenido posterior produce martensita revenida con carburos de cromo dispersos.
• GCr18: alcanza una alta dureza y una distribución fina de carburos en secciones más pequeñas; en secciones más grandes es más propenso a una transformación incompleta (núcleo blando) y a un mayor riesgo de grietas por temple si no se controla cuidadosamente.

• GCr18Mo: El molibdeno aumenta la templabilidad, favoreciendo una estructura martensítica con mayor endurecimiento en secciones transversales más grandes. Además, modifica la resistencia al revenido, por lo que la dureza revenida se conserva mejor a temperaturas de revenido más elevadas.

• Procesamiento termomecánico:

• El procesamiento termomecánico controlado y el laminado en caliente afectan el tamaño de grano de la austenita previa. Los granos de austenita más finos mejoran la tenacidad y reducen las temperaturas de austenización necesarias; el molibdeno ayuda a preservar la tenacidad en las secciones más gruesas al mejorar la templabilidad.

En resumen, el control microestructural para ambos grados se centra en lograr una matriz martensítica con carburos de cromo dispersos; el GCr18Mo es más tolerante para secciones más grandes y temperaturas de revenido más altas.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico exacto. La tabla siguiente muestra los rangos típicos de temperatura posterior al temple y revenido utilizados en aplicaciones de rodamientos y desgaste; considérenlos valores representativos y no garantizados.

Propiedad	GCr18 típico (templado y revenido)	GCr18Mo típico (templado y revenido)
Resistencia a la tracción (MPa)	900 – 1800 (dependiendo del tratamiento térmico)	900 – 1900 (mayor en las secciones templadas en toda su extensión)
Límite elástico (MPa)	600 – 1600	600 – 1650
Alargamiento (%)	4 – 12 (menor a mayor dureza)	4 – 12
Resistencia al impacto (J, Charpy)	Menor dureza a valores muy altos; mejora con el revenido.	En general, similar o ligeramente mejorada en secciones más grandes debido a un mejor endurecimiento integral.
Dureza (HRC)	58 – 66 (rango de dureza del rodamiento)	58 – 66 (mejor retención después del templado en grados de Mo)

Interpretación: La dureza máxima y la resistencia a la tracción están controladas principalmente por el carbono y el tratamiento térmico. Ambos grados alcanzan una dureza máxima similar en componentes pequeños. - El GCr18Mo ofrece una templabilidad mejorada, por lo que en piezas más grandes puede lograr una mayor dureza y resistencia del núcleo en comparación con el GCr18 simple procesado de forma idéntica. Las diferencias en la tenacidad dependen de la aplicación y el tratamiento; el Mo puede mejorar la tenacidad en secciones más gruesas al permitir una respuesta martensítica más uniforme y al estabilizar la microestructura mediante el revenido.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de los aceros de alto carbono y alta dureza requiere un control cuidadoso debido a su alto equivalente de carbono y a su tendencia a formar martensita dura y quebradiza en la zona afectada por el calor (ZAC).

Índices comunes de soldabilidad utilizados cualitativamente: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - PCM: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - Tanto el GCr18 como el GCr18Mo tienen un alto contenido de carbono; sus valores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ serán lo suficientemente altos como para justificar el precalentamiento, la temperatura entre pasadas controlada y el tratamiento térmico posterior a la soldadura para aplicaciones críticas. - La presencia de Mo aumenta ligeramente $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$; en otras palabras, el GCr18Mo es marginalmente más propenso al endurecimiento de la ZAT y al riesgo de agrietamiento que el GCr18 cuando se suelda sin precauciones. - Para reparaciones pequeñas o uniones no críticas, utilice metales de aporte compatibles, precaliente para reducir la velocidad de enfriamiento y realice un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para templar la martensita en la ZAT. - Cuando sea necesario minimizar o eliminar la soldadura, se prefiere la unión mecánica o el mecanizado para lograr ajustes de ensamblaje.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el GCr18 ni el GCr18Mo son aceros inoxidables; su contenido de cromo es insuficiente para proporcionar pasivación en ambientes acuosos.
• Estrategias típicas de protección de superficies:
• Recubrimientos protectores: pintura, chapado (zinc, níquel) o recubrimientos de fosfato.
• La galvanización es una opción para ciertos componentes conformados o estructurales, aunque el tratamiento térmico posterior a la galvanización no es habitual.
• La lubricación y el diseño para el drenaje son comunes en los contactos rodantes para reducir el desgaste asistido por corrosión.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros para rodamientos no inoxidables porque el PREN se utiliza para evaluar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Utilice aleaciones resistentes a la corrosión (aceros inoxidables para rodamientos) cuando el servicio requiera tanto resistencia a la corrosión como resistencia al desgaste/fatiga.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• Su alto contenido en carbono y su elevada dureza hacen que ambos grados sean más difíciles de mecanizar en estado endurecido. Para prolongar la vida útil de la herramienta, se utilizan condiciones de recocido o esferoidización durante el mecanizado.
• El GCr18Mo en estado templado/endurecido puede ser ligeramente más difícil de trabajar debido a los efectos de fortalecimiento del Mo, pero las diferencias son mínimas en condiciones previas al mecanizado.
• Conformado y doblado en frío:
• No es favorable en estado endurecido; el conformado se realiza en estado recocido más blando.
• El alto contenido de carbono limita el embutido profundo o el conformado extenso sin que se produzcan grietas.
• Rectificado y acabado:
• Ambos materiales responden bien al rectificado de precisión tras el endurecimiento. La distribución de los carburos y la austenita retenida pueden influir en el comportamiento del rectificado y en la estabilidad dimensional final.
• Consideraciones sobre el tratamiento térmico:
• Recocido de esferoidización para mecanizado: reduce las fuerzas de corte y evita el astillamiento de los bordes.
• El control de los medios de enfriamiento, los programas de revenido y el alivio de tensiones son fundamentales para minimizar la distorsión.

8. Aplicaciones típicas

GCr18 (usos típicos)	GCr18Mo (usos típicos)
Rodamientos y bolas de precisión (tamaños pequeños a medianos)	Cojinetes y ejes con secciones transversales mayores que requieren endurecimiento total
Anillos, rodillos y pistas de rodamientos utilizados en maquinaria de precisión	Rodillos de sección gruesa, anillos de rodamiento grandes y componentes sometidos a fatiga por contacto de rodadura intenso
Piezas de desgaste en componentes de tamaño pequeño a mediano donde el costo es importante	Componentes de desgaste y ejes donde la mejora de la resistencia al revenido y la templabilidad prolongan su vida útil
Componentes de herramientas que requieren alta dureza superficial (en piezas pequeñas)	Componentes que funcionan a temperaturas elevadas o que requieren una mejor retención de la dureza después del revenido

Justificación de la selección: - Elija GCr18 para cojinetes y piezas de desgaste de sección pequeña a moderada donde el tratamiento térmico convencional logra la dureza y la vida útil a la fatiga requeridas de manera económica. - Elija GCr18Mo cuando el tamaño de la sección, las cargas operativas esperadas o las temperaturas de revenido más elevadas impliquen un endurecimiento integral mejorado, una mayor dureza retenida después del revenido o una vida útil a la fatiga por contacto de rodadura ligeramente mejor.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El GCr18 suele ser menos costoso que el GCr18Mo debido a la ausencia de molibdeno, un elemento de aleación de mayor costo.
• El coste incremental del GCr18Mo se justifica cuando la templabilidad, la reducción de desechos o las mejoras en el rendimiento generan ahorros durante el ciclo de vida.
• Disponibilidad:
• Ambos grados se encuentran disponibles habitualmente en formas de productos de acero para rodamientos (barras, anillos, láminas y piezas forjadas) a través de proveedores de aceros especiales.
• Los plazos de entrega pueden ser ligeramente más largos para las variantes con cojinetes de molibdeno de tolerancias ajustadas o para tratamientos térmicos específicos; especifique los certificados de fábrica y los tratamientos térmicos al realizar el pedido.

10. Resumen y recomendación

Atributo	GCr18	GCr18Mo
soldabilidad	De pobre a limitado (requiere precalentamiento/PWHT)	Ligeramente inferior (mayor capacidad de endurecimiento)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Se puede lograr una alta dureza; la tenacidad depende de la sección/HT.	Similar o mejorado en secciones gruesas debido a un mejor endurecimiento integral.
Costo	Más bajo	Mayor (debido a Mo)

Recomendación: - Elija GCr18 si necesita un acero para rodamientos/desgaste rentable para secciones transversales pequeñas a moderadas donde los tratamientos estándar de temple y revenido logran la dureza y la vida útil a la fatiga requeridas. - Elija GCr18Mo si sus componentes son de mayor sección, requieren un endurecimiento más uniforme en toda la sección transversal, necesitan una mayor resistencia al revenido o se beneficiarán de las modestas mejoras en la vida útil por desgaste y fatiga por contacto de rodadura que proporciona el molibdeno.

Notas prácticas finales: - En las órdenes de compra, especifique siempre los límites químicos exactos, los programas de tratamiento térmico y las pruebas de aceptación (dureza, microestructura, ensayos no destructivos). - Para conjuntos soldados o componentes críticos de fatiga, involucre a los ingenieros de procesos metalúrgicos desde el principio para definir el precalentamiento, las temperaturas entre pasadas y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) necesario para evitar la fragilidad de la zona afectada por el calor (ZAC) y las fallas en servicio.