SUP10 frente a SUP11: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción suelen enfrentarse a la elección entre grados de acero al carbono estrechamente relacionados al buscar un equilibrio entre costo, conformabilidad, soldabilidad y resistencia en servicio. SUP10 y SUP11 son dos designaciones de acero al carbono orientadas a la norma JIS que se consideran frecuentemente para componentes estructurales generales, piezas mecanizadas y accesorios sometidos a cargas moderadas. El dilema de la selección generalmente gira en torno a compensaciones como la soldabilidad frente a la resistencia a la tracción, la maquinabilidad frente a la tenacidad y el costo de compra frente al margen de rendimiento.

La principal diferencia entre SUP10 y SUP11 radica en su estrategia de aleación, centrada en el contenido de manganeso: una calidad se especifica con un nivel de manganeso menor, mientras que la otra se especifica con un nivel mayor. Esta diferencia intencionada modifica la templabilidad, la resistencia y la respuesta al tratamiento térmico, razón por la cual diseñadores y fabricantes comparan frecuentemente estas dos calidades.

1. Normas y designaciones

• JIS: SUP10, SUP11 — Nombres de las normas industriales japonesas utilizadas para aceros al carbono simples destinados a usos estructurales y mecánicos generales.
• ASTM/ASME: Normalmente se encuentran materiales comparables entre las designaciones de acero al carbono simple (por ejemplo, series AISI/SAE), pero las referencias cruzadas directas dependen de límites de composición específicos y no siempre son uno a uno.
• ES: Los aceros al carbono simples de clase C de EN (por ejemplo, Cxx.x) desempeñan funciones similares, y su selección requiere la coincidencia de los límites químicos y las propiedades mecánicas.
• GB (China): En las normas GB existen grados de acero al carbono simples equivalentes; la correspondencia requiere verificar los criterios químicos y mecánicos.
• Categoría: Tanto el SUP10 como el SUP11 son aceros al carbono (no inoxidables, HSLA ni para herramientas). En ocasiones, pueden considerarse aceros de bajo o medio carbono según el contenido de carbono especificado y la aplicación prevista.

2. Composición química y estrategia de aleación

Elemento	SUP10 (relativo)	SUP11 (relativo)
C (Carbono)	De baja a moderada (típica de los aceros al carbono en general)	Bajo a moderado (base de carbono similar)
Mn (manganeso)	Nivel de manganeso más bajo	Mayor nivel de manganeso (factor diferenciador principal)
Si (silicio)	Bajo (nivel de desoxidación)	Bajo (similar)
P (Fósforo)	Impureza controlada (baja)	Impureza controlada (baja)
S (Azufre)	Controlado; puede ser mayor si se trata de una variante de corte libre.	Controlado; similar a menos que se especifique corte libre
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	No se ha aleado intencionadamente en cantidades significativas; posibles niveles traza.	Igual: no aleado intencionalmente; solo trazas.

Notas: Ambos grados son aceros al carbono simples según su filosofía de aleación. La principal diferencia radica en el contenido de manganeso: el grado con mayor contenido de manganeso presenta mayor templabilidad y tendencia al endurecimiento por deformación. - Roles de aleación: - Carbono: principal contribuyente a la resistencia y templabilidad. - Manganeso: aumenta la templabilidad, la resistencia a la tracción y la relación entre la resistencia a la tracción y el límite elástico; también actúa como desoxidante y contrarresta la fragilización por azufre. - Silicio: generalmente presente en niveles bajos para la desoxidación; fortalecimiento menor por solución sólida. - Los oligoelementos e impurezas (P, S) se controlan para preservar la tenacidad y la maquinabilidad.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura: - En condiciones típicas de fabricación y normalización, tanto el SUP10 como el SUP11 desarrollan una microestructura de ferrita-perlita típica de los aceros de bajo a medio carbono. - La calidad con mayor contenido de manganeso tenderá a aumentar la fracción de perlita y a refinar ligeramente el espaciado interlaminar perlítico/ferrítico, lo que dará como resultado una mayor resistencia laminada/endurecida y una ductilidad potencialmente reducida en comparación con la calidad con menor contenido de manganeso.

Respuesta al tratamiento térmico: - Normalización: Ambos grados responden a la normalización produciendo una estructura de ferrita-perlita más uniforme; el grado con mayor contenido de manganeso alcanza una dureza y resistencia ligeramente superiores para el mismo ciclo. - Temple y revenido: Debido a que ninguno de los dos grados es un acero de alta aleación, el endurecimiento profundo es limitado, pero el grado con mayor contenido de manganeso presenta una mayor templabilidad y puede alcanzar una mayor resistencia después de los ciclos de temple y revenido en comparación con la variante con menor contenido de manganeso. - Procesamiento termomecánico: El laminado controlado o el enfriamiento controlado acentuarán las diferencias; el grado de manganeso más alto alcanza más fácilmente niveles de límite elástico y resistencia a la tracción más elevados con el mismo procesamiento debido a su mayor efecto sobre la templabilidad y el endurecimiento por deformación.

4. Propiedades mecánicas

Propiedad	SUP10 (relativo típico)	SUP11 (pariente típico)
Resistencia a la tracción	Moderado	Superior a SUP10 (debido a su mayor contenido de Mn)
límite elástico	Moderado	Superior a SUP10
Alargamiento (ductilidad)	Mejor ductilidad (relativamente)	Ductilidad ligeramente reducida en comparación con SUP10
Tenacidad al impacto	Bueno (nivel típico del acero al carbono)	Comparable o ligeramente inferior si el Mn es mayor
Dureza	Inferior (para un tratamiento térmico similar)	Ligeramente superior (mejor templabilidad)

Explicación: El mayor contenido de manganeso aumenta la resistencia y la templabilidad, por lo que el SUP11 generalmente ofrece mayor resistencia a la tracción y al límite elástico en condiciones comparables. Esta mejora suele conllevar una ligera disminución de la elongación y la tenacidad al impacto si todos los demás factores permanecen constantes. Las propiedades mecánicas reales dependen de la composición exacta, la forma del producto (barra, placa) y su historial de tratamiento térmico/procesamiento. Para la adquisición y aceptación, especifique las propiedades mecánicas requeridas en los documentos de compra, en lugar de basarse únicamente en la denominación del grado.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende principalmente del equivalente de carbono y de los factores que contribuyen a la microaleación y la templabilidad. Los índices comunes utilizados para evaluar el riesgo de fisuración en la soldadura incluyen el equivalente de carbono IIW y el Pcm modificado.

Ejemplos de fórmulas: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación (cualitativa): - El mayor contenido de manganeso en SUP11 aumenta los índices de equivalencia de carbono en relación con SUP10, lo que indica una mayor propensión al endurecimiento en la zona afectada por el calor (ZAC) y, por lo tanto, un mayor riesgo de agrietamiento en frío en condiciones de soldadura comparables. - Ambos grados son generalmente soldables utilizando procedimientos estándar, pero el SUP11 puede requerir prácticas de soldadura más conservadoras: precalentamiento, temperaturas entre pasadas controladas, consumibles de bajo hidrógeno o tratamiento térmico posterior a la soldadura, dependiendo del espesor de la sección y las restricciones. - La ausencia de elementos de aleación significativos (Cr/Mo/Ni) hace que ambos grados sean más fáciles de soldar que los aceros aleados, pero las diferencias de manganeso controlan el riesgo relativo de la soldadura.

6. Corrosión y protección de superficies

• Estos grados son aceros al carbono (no inoxidables). Su resistencia a la corrosión atmosférica y acuosa es limitada y depende de la protección de la superficie.
• Protecciones típicas: pintura, recubrimiento en polvo, galvanizado en caliente, electrochapado o aceite/grasa para protección temporal.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a los aceros al carbono no inoxidables; como referencia en aleaciones inoxidables:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• El uso de PREN tiene sentido únicamente para aleaciones resistentes a la corrosión que contienen cromo y molibdeno, no para SUP10/SUP11.
• Orientación para la selección: Para entornos corrosivos, elija protección de superficie o una alternativa de acero inoxidable/HSLA en lugar de confiar en las variaciones entre SUP10 y SUP11.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Controlada principalmente por el contenido de azufre y plomo (si lo hubiera). Ni el SUP10 ni el SUP11 son inherentemente de fácil mecanizado, a menos que se produzcan específicamente con un alto contenido de azufre/plomo. Un mayor contenido de manganeso puede reducir ligeramente la maquinabilidad al aumentar el endurecimiento por deformación.
• Conformabilidad/doblabilidad: La aleación con menor contenido de manganeso (SUP10) generalmente se conforma y dobla con menos problemas y mejores márgenes de elongación. La aleación con mayor contenido de manganeso (SUP11) puede requerir radios de curvatura mayores o menor deformación para evitar fisuras en operaciones de conformado exigentes.
• Corte y acabado: Ambos se mecanizan bien con herramientas convencionales; la vida útil de las herramientas puede mejorar ligeramente en la calidad de menor resistencia. El acabado superficial y el control de virutas dependen más del contenido de azufre y los parámetros del proceso que de la diferencia de manganeso por sí sola.

8. Aplicaciones típicas

SUP10 (usos típicos)	SUP11 (usos típicos)
Componentes estructurales generales donde se prefiere una buena ductilidad y soldabilidad (estructuras ligeras, soportes, fijaciones).	Componentes mecanizados de mayor resistencia donde se desea una mayor resistencia/templabilidad (ejes, ejes, accesorios sometidos a cargas moderadas).
Piezas conformadas en frío y fabricación mediante plegado predominante	Piezas que se someterán a temple/revenido o que requieren una mayor resistencia en estado laminado
Aplicaciones donde el coste y la facilidad de soldadura/conformado son prioritarios.	Aplicaciones en las que se requiere una mayor resistencia a la tracción/límite elástico sin recurrir a aceros aleados.

Justificación de la selección: - Elija el grado de manganeso de menor contenido cuando la facilidad de fabricación (soldadura, doblado, conformado) y la ductilidad sean críticas y las cargas sean moderadas. - Elija el grado de manganeso más alto cuando se necesite mayor resistencia o templabilidad (para secciones más gruesas o piezas procesadas más resistentes), y cuando el plan de fabricación aborde los desafíos ligeramente mayores de soldadura/conformación.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: Ambos grados son aceros al carbono y, por lo general, económicos. El grado con mayor contenido de manganeso (SUP11) puede ser ligeramente más caro en algunos mercados debido al control de la aleación y el procesamiento, pero las diferencias suelen ser modestas en comparación con los aceros de mayor aleación.
• Disponibilidad: En los mercados donde se almacenan los grados JIS, se encuentran disponibles en formatos comunes (barras, placas, bobinas) para ambos grados. La disponibilidad puede variar según la región; el departamento de compras debe confirmar el suministro en el formato deseado y con la certificación de fábrica requerida.
• Los plazos de entrega y las cantidades mínimas de pedido dependen más de los inventarios locales de las fábricas y de las pruebas/certificaciones requeridas que de las pequeñas diferencias de composición entre SUP10 y SUP11.

10. Resumen y recomendación

Atributo	SUP10	SUP11
Soldabilidad	Mejor (menor CE)	Moderado (CE más alto; necesita más control)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Ductilidad y tenacidad favorables para uso general	Mayor resistencia y templabilidad; tenacidad ligeramente reducida si no se modifica.
Costo	Ligeramente inferior o comparable	Ligeramente superior o comparable

Recomendaciones: - Elija SUP10 si: - Sus prioridades son una soldadura y un conformado más sencillos, y una mayor ductilidad. - La aplicación implica secciones delgadas, fabricación compleja o donde se desean procedimientos mínimos de precalentamiento/postcalentamiento. - Para ensamblajes estructurales o fabricados, se busca el grado de acero al carbono de uso general más tolerante a errores.

• Elija SUP11 si:
• Para secciones más gruesas o componentes sometidos a cargas más elevadas, se necesita una mayor resistencia a la tracción/límite elástico en el estado de procesamiento o una templabilidad mejorada.
• El diseño permite procedimientos de soldadura controlados (precalentamiento, consumibles con bajo contenido de hidrógeno) y, posiblemente, un tratamiento térmico posterior a la soldadura si fuera necesario.
• Una ligera reducción en la capacidad de conformado es aceptable a cambio de una mayor resistencia sin necesidad de recurrir a aceros aleados.

Nota final: Los aceros SUP10 y SUP11 son aceros al carbono muy similares; la elección entre ellos debe basarse en los requisitos mecánicos específicos y el plan de fabricación, más que en la denominación del grado. Para aplicaciones críticas, especifique las propiedades mecánicas requeridas, las condiciones del tratamiento térmico y los procedimientos de soldadura en los documentos de adquisición, y solicite los certificados de fábrica para verificar la composición y el procesamiento.