SPHC frente a SPHD: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

SPHC y SPHD son dos grados de acero laminado en caliente JIS (Norma Industrial Japonesa) de uso común en la fabricación, componentes automotrices, estructuras generales y manufactura ligera. Los ingenieros y los equipos de compras suelen elegir entre ellos al considerar el costo, la conformabilidad, la soldabilidad y el rendimiento mecánico requerido para piezas estampadas, dobladas o soldadas.

La principal diferencia técnica a la hora de seleccionar componentes es que el acero SPHD se fabrica y especifica para ofrecer mayor plasticidad (ductilidad y conformabilidad) que el acero SPHC, que es un acero comercial laminado en caliente de uso general. Dado que ambos son aceros de bajo carbono y baja aleación, la decisión suele centrarse en el comportamiento ante el conformado (embutido profundo, doblado extenso) frente a la mayor disponibilidad y menor coste de un producto comercial.

1. Normas y designaciones

• JIS: SPHC y SPHD son grados designados por JIS en la familia de aceros dulces laminados en caliente.
• Otras normas:
• ASTM/ASME: Los equivalentes aproximados son aceros de bajo carbono laminados en caliente de uso general (por ejemplo, grados comerciales ASTM A1011), pero no debe asumirse una equivalencia directa uno a uno sin hacer referencia a los requisitos de propiedades específicas y la certificación.
• ES: Los aceros EN, como el S235JR/S235J0, desempeñan funciones similares para productos estructurales o de calidad general laminados en caliente; de ​​nuevo, las equivalencias deben validarse mediante requisitos químicos y mecánicos.
• GB (China): Varios aceros de la familia Q235 sirven a mercados similares.
• Clasificación: Tanto el SPHC como el SPHD son aceros al carbono de bajo contenido en carbono, no inoxidables (no HSLA, no acero para herramientas, no inoxidable). Están destinados a aplicaciones de conformado y estructurales en general, más que a aplicaciones que requieran alta resistencia o resistencia a la corrosión.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tanto el SPHC como el SPHD están diseñados como aceros de bajo carbono y baja aleación. Su proceso de aleación se basa en una mínima adición deliberada de aleación; la estrategia consiste en mantener bajos los niveles de carbono y elementos residuales para garantizar una buena conformabilidad en frío, soldabilidad y bajo costo.

Elemento	SPHC (típico)	SPHD (típico)	Notas
C (Carbono)	Bajo (grado bajo en carbono)	Bajo (a menudo comparable o ligeramente inferior)	Un menor valor de C favorece la conformabilidad y la soldabilidad. El SPHD está diseñado para una mayor ductilidad.
Mn (manganeso)	Presente en niveles bajos a moderados	Presente en niveles bajos a moderados	El Mn controla la resistencia y la templabilidad; se mantiene moderado para equilibrar la resistencia con la conformabilidad.
Si (silicio)	Rastro a bajo	Rastro a bajo	Principalmente desoxidación; controlada para evitar afectar la formabilidad.
P (Fósforo)	bajo controlado	bajo controlado	Mantener a baja temperatura para evitar la fragilidad.
S (Azufre)	bajo controlado	bajo controlado	Se debe mantener en niveles bajos; el azufre puede mejorar la maquinabilidad pero reduce la ductilidad.
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Normalmente no se añade intencionadamente	Normalmente no se añade intencionadamente	Estos elementos de microaleación/endurecimiento son mínimos o están ausentes; las calidades no son HSLA.
N (Nitrógeno)	Rastro	Rastro	Puede controlarse la inclusión y la respuesta mecánica.

Explicación: El objetivo de la aleación en ambos grados es lograr adiciones mínimas: suficiente Mn y Si para la desoxidación y la resistencia básica, manteniendo bajos los niveles de elementos que aumentan la templabilidad o reducen la ductilidad (C, Cr, Mo, etc.). Las especificaciones SPHD y el procesamiento en planta buscan mejorar la plasticidad mediante límites más estrictos y un control preciso del proceso, en lugar de mediante una aleación química significativa.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura: La microestructura en estado de laminación de ambos grados es típicamente ferrítica con inclusiones de perlita (típica de los aceros laminados en caliente de bajo carbono). La fracción volumétrica de perlita es pequeña debido al bajo contenido de carbono. - La morfología de las inclusiones y el tamaño del grano dependen de las prácticas de fabricación del acero y de los programas de laminación/recocido.

Procesando respuesta: - SPHC: Se produce como un producto laminado en caliente convencional con enfriamiento controlado estándar. Su microestructura suele ser de ferrita/perlita gruesa. El normalizado rara vez se aplica a estas calidades comerciales; las mejoras en las propiedades mecánicas mediante tratamiento térmico son limitadas, ya que no están diseñadas para su uso templado/revenido. - SPHD: Si bien químicamente similar, el SPHD se procesa y especifica para mejorar su conformabilidad. Esto puede incluir un control más preciso de la temperatura de laminación en caliente, un enfriamiento controlado para refinar la estructura del grano y un posible recocido ligero para mejorar la ductilidad. El resultado es una microestructura ferrítica más fina y una menor cantidad de inclusiones, lo que mejora la conformabilidad.

Efectos de los tratamientos térmicos comunes y las rutas termomecánicas: - El recocido (intercrítico o completo) aumentará la ductilidad en ambos grados, pero es más probable que el SPHD se suministre con un historial de procesamiento destinado a preservar la ductilidad. - El temple y revenido o los tratamientos térmicos intensos no son habituales en estos grados; no están formulados para respuestas de endurecimiento martensítico debido a su bajo contenido en carbono y a la falta de elementos templables. - El control termomecánico (laminación controlada y enfriamiento acelerado) puede aumentar modestamente la resistencia sin sacrificar la ductilidad; generalmente es una opción para los aceros HSLA en lugar de SPHC/SPHD.

4. Propiedades mecánicas

A continuación se presenta una comparación cualitativa que refleja el comportamiento típico de estos grados comerciales laminados en caliente JIS. Para los cálculos de diseño, se deben utilizar los certificados de fábrica y las especificaciones de compra correspondientes.

Propiedad	SPHC	SPHD	Observaciones
Resistencia a la tracción	Típico del acero laminado en caliente de bajo carbono	Similar a SPHC	Ambos son aceros al carbono de baja resistencia; sus rangos de resistencia a la tracción se superponen.
Resistencia a la fluencia	Moderado	Comparable a ligeramente inferior	Se puede especificar SPHD para asegurar un rendimiento algo menor, mejorar la conformabilidad y evitar la estricción prematura durante el estirado.
Alargamiento (ductilidad)	Bien	Superior a SPHC	SPHD se especifica para una mayor elongación y una plasticidad superior en operaciones de conformado.
Dureza al impacto	Variable, moderada a temperatura ambiente	Variable, de moderada a mejor	El impacto depende del espesor y del procesamiento; la mejor ductilidad del SPHD a menudo se traduce en una mayor tenacidad en aplicaciones críticas de conformado.
Dureza	De bajo a moderado	De bajo a moderado	Ninguno de los dos grados es duro; la dureza será similar y dependerá principalmente del procesamiento y del espesor final.

Explicación: El factor crítico de selección es la conformabilidad: el acero SPHD está diseñado para ofrecer mayor elongación y un comportamiento superior ante la deformación plástica (embutición profunda, flexión severa) en comparación con el acero SPHC de uso general. Las diferencias de resistencia suelen ser pequeñas y se superponen; la elección del acero SPHD rara vez se basa en un aumento de la resistencia, sino en un comportamiento plástico predecible y mejorado durante el conformado.

5. Soldabilidad

La soldabilidad tanto del SPHC como del SPHD es generalmente buena debido a su bajo contenido de carbono y aleación, pero la microaleación y el procesamiento pueden influir en la susceptibilidad al agrietamiento en frío y al endurecimiento de la zona afectada por el calor (ZAC).

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

Interpretación (cualitativa): - Para estos grados de bajo carbono, los valores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ son típicamente bajos, lo que indica una buena soldabilidad general con consumibles de soldadura de acero al carbono estándar y procedimientos de precalentamiento. - La mayor ductilidad del SPHD reduce el riesgo de distorsión y agrietamiento inducidos por la soldadura durante las operaciones de conformado, pero debido a que el SPHD puede suministrarse con un límite elástico ligeramente inferior y una mayor ductilidad, la práctica de soldadura debe considerar el potencial de distorsión residual en espesores delgados. - El precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura generalmente no son necesarios para espesores moderados, pero siempre se deben seguir las especificaciones del procedimiento de soldadura (WPS) en función del espesor, la restricción y el entorno de servicio.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el SPHC ni el SPHD son aceros inoxidables; son susceptibles a la corrosión en ambientes atmosféricos e industriales.
• Protecciones estándar:
• Los sistemas de galvanizado en caliente, electrogalvanizado o prepintado/recubierto proporcionan protección de sacrificio o de barrera.
• Los recubrimientos orgánicos (pinturas, recubrimientos en polvo) son comunes para las piezas acabadas.
• Durante el almacenamiento y el envío se pueden utilizar aceites o inhibidores de óxido temporales.
• El índice PREN no es aplicable a estos aceros no inoxidables. Para evaluar alternativas de acero inoxidable, se puede utilizar el índice PREN. $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Los márgenes de corrosión (espesor del material, selección de recubrimientos) se basan en el entorno y la vida útil esperada; la galvanización es una opción económica común para las exposiciones estructurales.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformabilidad: El SPHD está optimizado para el conformado (embutición, embutición profunda, plegado múltiple) y mostrará menos fisuras, mejor resistencia a las arrugas y mayor elongación uniforme que el SPHC con historiales de procesamiento equivalentes.
• Doblado: SPHD tolera radios de curvatura más ajustados y embuticiones más profundas con un riesgo reducido de agrietamiento de los bordes.
• Maquinabilidad: Ambos grados tienen una maquinabilidad moderada; el SPHC con un contenido de azufre ligeramente superior (si se especifica para mejorar la maquinabilidad) podría ser más fácil de mecanizar, pero la práctica estándar es seleccionar subgrados con maquinabilidad mejorada cuando sea necesario.
• Corte y estampado: Ambos procesos se estampan fácilmente; el SPHD puede funcionar mejor en prensas de alta velocidad cuando se requieren diseños complejos.
• Las operaciones secundarias (conformado después de las soldaduras, enderezado térmico) deben tener en cuenta las tensiones residuales; la mayor ductilidad del SPHD a menudo reduce la variabilidad de la recuperación elástica en el conformado.

8. Aplicaciones típicas

SPHC (Usos típicos)	SPHD (Usos típicos)
Piezas estructurales generales donde el conformado pesado no es crítico: perfiles en U, fabricación general, paneles no críticos.	Paneles automotrices embutidos, componentes de utensilios de cocina, accesorios que requieren una deformación plástica significativa.
Estructuras ligeras, piezas estampadas sencillas, componentes estructurales soldados	Piezas complejas estampadas y embutidas, componentes conformados con precisión, piezas que requieren un control dimensional estricto después del conformado.
Perfiles de caja, soportes, aplicaciones generales de láminas comerciales	Paneles de alta conformabilidad, piezas procesadas en secuencias de conformado multioperación

Justificación de la selección: - Elija SPHC por su amplia disponibilidad, menor costo y cuando las operaciones de formación sean sencillas o cuando un mayor rendimiento sea aceptable. - Elija SPHD cuando el proceso implique embutición profunda, doblado severo u otras operaciones de conformado de alta deformación donde se requiera un comportamiento plástico predecible y una mayor elongación.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El SPHC suele ser el producto de menor coste y uso general debido a mayores volúmenes de producción y un control de procesos menos estricto. El SPHD puede tener un precio ligeramente superior debido a un control más riguroso de la química, el procesamiento y las garantías de conformabilidad.
• Disponibilidad: El SPHC está ampliamente disponible en diversos espesores y bobinas de múltiples fábricas. La disponibilidad del SPHD puede ser ligeramente más limitada según la fábrica y la región, pero suele estar disponible para las cadenas de suministro de la industria automotriz y de electrodomésticos. La disponibilidad del formato del producto (bobina, lámina, placa) varía según la fábrica y el mercado; siempre confirme el plazo de entrega con los proveedores.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen

Característica	SPHC	SPHD
Soldabilidad	Bueno (general)	Bueno (en general); ligeramente mejor para conjuntos formados.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	balance estándar bajo en carbono	Resistencia similar, ductilidad/tenacidad mejorada para el conformado
Costo	Generalmente más bajo	Normalmente, un poco más alto debido al procesamiento para mejorar la conformabilidad.

Recomendación: - Elija SPHC si sus requisitos priorizan la disponibilidad y el costo de piezas estructurales y estampadas generales donde el conformado profundo y la máxima ductilidad no son críticos. - Elija SPHD si sus piezas sufren una deformación plástica significativa (embutición profunda, doblado severo, conformado en varias etapas) y necesita una elongación mayor y predecible y una mejor conformabilidad, incluso con un pequeño sobrecoste.

Nota final: SPHC y SPHD son aceros laminados en caliente de bajo carbono, similares entre sí, con resistencias similares. La decisión principal de ingeniería se basa en la conformabilidad: elegir el acero adecuado a la severidad del proceso de conformado, verificar los certificados de fábrica para comprobar los límites químicos y mecánicos, y validar los procedimientos de conformado y soldadura en lotes de material representativos antes de la producción en serie.