SAE1020 vs SAE1045 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros SAE1020 y SAE1045 son dos de los aceros al carbono más comúnmente especificados en planos de ingeniería y adquisiciones. El dilema de selección suele surgir cuando los diseñadores y especialistas en adquisiciones deben equilibrar la facilidad de fabricación y el costo con el rendimiento mecánico requerido: los aceros de bajo carbono son más fáciles de conformar y soldar, mientras que los aceros de carbono medio ofrecen mayor resistencia y resistencia al desgaste, pero requieren un tratamiento térmico y controles de fabricación más cuidadosos.
La principal diferencia práctica entre ambos grados radica en el contenido de carbono y sus efectos posteriores: el SAE1045 tiene un contenido de carbono considerablemente mayor que el SAE1020, lo que favorece una mayor resistencia y templabilidad a expensas de la ductilidad y la soldabilidad. Debido a que se encuentran en puntos adyacentes del espectro del acero al carbono, estos grados se comparan frecuentemente al especificar ejes, engranajes, elementos de fijación y piezas mecánicas en general, donde se debe optimizar el equilibrio entre resistencia, tenacidad y costo.
1. Normas y designaciones
- SAE/AISI: SAE 1020 (AISI 1020), SAE 1045 (AISI 1045)
- ASTM/ASME: Comúnmente se hace referencia a la designación SAE/AISI en las adquisiciones; las normas específicas de productos (barras, placas, forjados) pueden hacer referencia a grados ASTM con una composición química similar.
- EN: Los aceros EN aproximadamente equivalentes son C20 (para 1020) y C45 (para 1045) en algunas normas europeas (los sistemas de designación difieren según la norma).
- JIS/GB: Las normas JIS y GB utilizan una nomenclatura diferente, pero existen rangos de carbono comparables (por ejemplo, JIS S20C / S45C).
- Clasificación: Ambos son aceros al carbono (no son aceros aleados, ni inoxidables, ni HSLA por defecto). No son aceros para herramientas.
2. Composición química y estrategia de aleación
| Elemento | SAE 1020 (típico, % en peso) | SAE 1045 (típico, % en peso) |
|---|---|---|
| do | 0,18–0,23 | 0,43–0,50 |
| Minnesota | 0,30–0,60 | 0,60–0,90 |
| Si | 0,10–0,35 | 0,10–0,35 |
| PAG | ≤ 0,040 (máx.) | ≤ 0,040 (máx.) |
| S | ≤ 0,050 (máx.) | ≤ 0,050 (máx.) |
| Cr | traza (≤0,25) | traza (≤0,30) |
| Ni | traza (≤0,25) | traza (≤0,30) |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | Normalmente traza o no especificado | Normalmente traza o no especificado |
Notas: Ambos grados son aceros al carbono; las adiciones de aleación son mínimas y principalmente incidentales. El SAE1045 contiene un mayor contenido de carbono y, por lo general, un mayor contenido de manganeso para ayudar a mantener su resistencia y templabilidad. Un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia a la tracción y la dureza potencial; el manganeso contribuye a la resistencia y la desoxidación, pero también aumenta la templabilidad. El silicio es un desoxidante y contribuye ligeramente a la resistencia. La estrategia de aleación es simple: controlar el carbono para lograr la resistencia deseada y utilizar el tratamiento térmico para obtener la microestructura deseada en lugar de depender de los elementos de aleación.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
- En estado laminado/recocido: el SAE1020 presenta típicamente una microestructura de ferrita-perlita con una mayor proporción de ferrita blanda respecto a la perlita. El SAE1045 presenta más perlita y menos ferrita debido a su mayor contenido de carbono.
- Normalización: Ambos grados responden a la normalización con una microestructura de ferrita/perlita refinada; el SAE1045 desarrolla una matriz perlítica más dura y una mayor resistencia después de la normalización que el SAE1020.
- Temple y revenido: El acero SAE1045 presenta mayor templabilidad y alcanza una dureza y resistencia significativamente superiores tras el temple y revenido que el SAE1020. El SAE1020 es difícil de templar uniformemente en secciones gruesas debido a su menor contenido de carbono y baja templabilidad.
- Microaleación y procesamiento termomecánico: Normalmente, ninguno de los dos grados se suministra con microaleación a menos que se solicite específicamente; los tratamientos termomecánicos pueden refinar modestamente el tamaño del grano y mejorar ligeramente la resistencia y la tenacidad en ambos grados, pero el nivel de carbono sigue siendo el factor dominante.
- Implicación práctica: el SAE1045 ofrece un ajuste más amplio del tratamiento térmico (por ejemplo, mayor resistencia a la tracción y límite elástico después del temple y revenido), mientras que el SAE1020 se utiliza principalmente en condiciones recocidas o normalizadas por su ductilidad y conformabilidad.
4. Propiedades mecánicas
| Propiedad | SAE 1020 (rangos típicos, recocidos/normalizados) | SAE 1045 (rangos típicos, recocidos/normalizados/endurecidos) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | ~350–450 | ~500–700 (puede superar los 800 después del endurecimiento y revenido) |
| Límite elástico (MPa) | ~250–350 | ~300–550 (dependiendo del tratamiento térmico) |
| Elongación (%) | ~25–35 | ~10–20 (menor con tratamientos de mayor potencia) |
| Dureza al impacto | Tenacidad dúctil moderada; generalmente buena en estado recocido. | Inferior a 1020 en condiciones de alta intensidad; moderado una vez normalizado. |
| Dureza (HB) | ~100–140 | ~150–250 (mayor después del temple y revenido) |
Notas: Los valores son rangos típicos. Los valores reales dependen en gran medida de la forma del producto, el tamaño de la sección y el ciclo de tratamiento térmico. El acero SAE1045 es considerablemente más resistente en la mayoría de los tratamientos térmicos; el SAE1020 es más dúctil y tolera mejor las operaciones de conformado. La mayor resistencia del 1045 conlleva una menor elongación y, en general, una menor tenacidad tras el temple, a menos que se someta a un revenido adecuado. - Para aplicaciones críticas de impacto donde la tenacidad a baja temperatura es importante, podría preferirse el acero 1020 en condiciones adecuadas o un acero de baja aleación con buena tenacidad.
5. Soldabilidad
- El contenido de carbono y la templabilidad determinan la soldabilidad. Un mayor contenido de carbono aumenta el riesgo de fisuración en frío y de formación de martensita en la zona afectada por el calor.
- Las fórmulas de equivalencia de carbono se utilizan comúnmente para la evaluación cualitativa. Ejemplos de índices:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretación (cualitativa): El acero SAE1020 tiene un bajo coeficiente de expansión térmica (CE) y una baja presión de compresión (P<sub>cm</sub>), y se suelda fácilmente con procedimientos estándar y un precalentamiento mínimo. El acero SAE1045 tiene un mayor contenido de carbono y, por lo tanto, un mayor CE/P<sub>cm</sub>; generalmente requiere precalentamiento, temperaturas controladas entre pasadas y, posiblemente, un tratamiento térmico posterior a la soldadura en juntas críticas para mitigar el agrietamiento inducido por hidrógeno y el endurecimiento de la zona afectada por el calor (ZAC).
- Orientación práctica: utilice electrodos de bajo hidrógeno, precalentamiento controlado y revenido para secciones más gruesas de 1045; para 1020, los consumibles y procedimientos de soldadura estándar suelen ser adecuados.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ni el SAE1020 ni el SAE1045 son inoxidables; son susceptibles a la corrosión atmosférica general y requieren protección superficial donde la corrosión sea una preocupación.
- Protecciones típicas: limpieza con solventes, sistemas de imprimación/pintura, fosfatado, galvanizado en caliente, electrodeposición (cuando corresponda) o recubrimientos protectores (polímero/epoxi).
- El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a los aceros al carbono; se utiliza para aceros inoxidables:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Nota de selección: Para entornos corrosivos, considere los aceros inoxidables o los recubrimientos resistentes a la corrosión en lugar de recurrir a la química del acero al carbono.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Conformabilidad: El SAE1020 es más dúctil y fácil de doblar, estirar y conformar en frío. El SAE1045 presenta una conformabilidad limitada en condiciones de alta resistencia y es más propenso a agrietarse durante el conformado.
- Maquinabilidad: El acero SAE1045, debido a su mayor resistencia y dureza, es generalmente más difícil de mecanizar que el SAE1020. Sin embargo, ninguno de los dos grados es de fácil mecanizado; su maquinabilidad es moderada a menos que se especifiquen variantes especiales de fácil mecanizado.
- Rectificado y acabado: El acero 1045 produce un mayor desgaste de la herramienta y requiere herramientas más robustas o velocidades de corte más bajas para lograr una vida útil similar a la del acero 1020.
- Endurecimiento superficial: el SAE1045 responde bien a los tratamientos de carburización, endurecimiento por inducción y endurecimiento total para aumentar la resistencia al desgaste y la vida útil a la fatiga de componentes como ejes y engranajes; el 1020 no es un buen candidato para un endurecimiento superficial significativo debido a su bajo contenido de carbono.
8. Aplicaciones típicas
| SAE 1020 | SAE 1045 |
|---|---|
| Componentes estructurales de uso general, piezas conformadas en frío, conjuntos soldados, ejes de baja resistencia, carcasas, fabricación general donde se prioriza la conformabilidad/soldabilidad. | Ejes, engranajes (servicio moderado), pasadores, pernos (que requieren mayor resistencia), ruedas dentadas, componentes mecanizados que requieren mayor resistencia o superficies endurecibles |
Justificación de la selección: - Elija 1020 cuando la facilidad de conformado, soldadura y control de costos sean los factores primordiales, y las cargas de servicio sean moderadas. - Elija 1045 cuando se requiera resistencia del componente, resistencia al desgaste y la capacidad de lograr una mayor dureza mediante tratamiento térmico.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El SAE1020 es generalmente menos costoso por kilogramo que el SAE1045 debido a su menor contenido de carbono y a sus requisitos de procesamiento más simples; los precios de mercado varían con las fluctuaciones regionales de la oferta y la producción de acero.
- Disponibilidad: Ambos grados se encuentran disponibles en todo el mundo en forma de barras, placas y bobinas. El SAE1020 es muy común para láminas y productos estructurales; el SAE1045 se encuentra ampliamente disponible para ejes, barras y piezas forjadas.
- Formatos del producto: El acero 1045 se suministra habitualmente en forma de barras laminadas en caliente y piezas forjadas, y se suele especificar cuando se requieren propiedades posteriores al tratamiento térmico. El acero 1020 se utiliza con frecuencia en conjuntos conformados en frío y soldados.
10. Resumen y recomendación
| Característica | SAE1020 | SAE1045 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Alto (fácil de soldar) | De moderado a bajo (requiere precalentamiento/controles) |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Menor resistencia, mayor ductilidad/tenacidad en estado recocido | Mayor potencial de resistencia, menor ductilidad a alta resistencia. |
| Costo | Más bajo | Más alto |
Elija SAE1020 si: - Para cargas moderadas se necesita un acero fácilmente soldable, moldeable y económico. - Las piezas se someterán a un importante proceso de conformado en frío o requerirán buena ductilidad y tenacidad en su estado de fabricación. Las grandes estructuras o conjuntos soldados requieren un precalentamiento mínimo y procedimientos de soldadura sencillos.
Elija SAE1045 si: - El diseño requiere mayor resistencia estática, mejor resistencia al desgaste, o la pieza será endurecida superficialmente o completamente endurecida. - Usted fabrica componentes rotativos de servicio mediano (ejes, ejes, engranajes) donde se requiere mayor resistencia a la tracción y dureza. - Se pueden controlar los parámetros de soldadura, o bien se minimiza la soldadura en favor del mecanizado/ensamblaje y el tratamiento térmico.
Nota final: La selección de materiales siempre debe validarse en función de las cargas de diseño del componente, los requisitos de fatiga, el método de unión, el tratamiento térmico previsto, los tratamientos superficiales y las limitaciones de coste. En caso de duda para componentes críticos o relacionados con la seguridad, considere especificar propiedades (por ejemplo, resistencia a la tracción/límite elástico mínimo, dureza o tenacidad) en lugar de basarse únicamente en la denominación del grado, y consulte con especialistas en tratamiento térmico y soldadura para establecer los procedimientos adecuados.