SUP9 frente a 60Si2Mn: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros SUP9 y 60Si2Mn son dos aceros al carbono-aleados que suelen utilizarse en decisiones de diseño y adquisición cuando se requieren alta resistencia, resistencia al desgaste y vida a la fatiga. Al seleccionar entre estos grados para componentes como resortes, engranajes, pasadores y piezas de desgaste, los ingenieros frecuentemente sopesan las ventajas y desventajas de la templabilidad y la resistencia al desgaste frente a la soldabilidad y el costo.

La principal diferencia entre ambos radica en su estrategia de aleación y su ámbito de aplicación previsto: uno está diseñado para una mayor templabilidad y resistencia al desgaste mediante la adición de cromo y otros elementos de aleación, mientras que el otro está optimizado como acero para muelles de silicio-manganeso para lograr un alto límite elástico y resistencia a la fatiga. Esta diferencia condiciona las decisiones relativas al tratamiento térmico, la fabricación y las aplicaciones adecuadas.

1. Normas y designaciones

• Normas y sistemas de designación comunes donde se pueden encontrar grados comparables:
• JIS (Normas industriales japonesas)
• GB/T (normas nacionales chinas)
• EN (Normas Europeas) e ISO
• ASTM/ASME (principalmente para la práctica estadounidense, grados comparables)
• Clasificación:
• SUP9: se describe mejor como un acero de aleación de cromo con alto contenido de carbono (utilizado para componentes que requieren mayor templabilidad y resistencia al desgaste).
• 60Si2Mn: un acero para muelles de silicio-manganeso de carbono medio a alto (diseñado para muelles y piezas que requieren un alto límite elástico y resistencia a la fatiga).

Nota: La composición química exacta y la denominación varían según la norma y el proveedor. Consulte siempre la ficha técnica específica (JIS/GB/EN/ASTM) o el certificado de fábrica para la aceptación de la compra.

2. Composición química y estrategia de aleación

A continuación se presenta una comparación cualitativa de los elementos de aleación comunes y su función en cada grado. Los valores se muestran de forma cualitativa (Alto / Medio / Bajo / Trazas / Atípico) debido a que los porcentajes exactos dependen de la norma o del fabricante.

Elemento	SUP9 (cualitativo)	60Si2Mn (cualitativo)
C (carbono)	Alta (en cuanto a templabilidad y resistencia)	Alto (acero para muelles; para mayor resistencia y elasticidad)
Mn (manganeso)	Medio (desoxidación, endurecimiento)	Media-Alta (resistencia, templabilidad, tenacidad)
Si (silicio)	Bajo–Medio (desoxidación, fuerza)	Alto (esencial para las propiedades de resorte)
P (fósforo)	Traza (impureza controlada)	Traza (impureza controlada)
S (azufre)	Traza (a menudo baja para mejorar la resistencia)	Traza (a menudo baja por fatiga)
Cr (cromo)	Medio (templado, resistencia al desgaste)	Bajo – Atípico
Ni (níquel)	No es típico (a menos que sea de grado modificado).	No es típico
Mo (molibdeno)	Posible traza/baja (respuesta de endurecimiento)	No es típico
V (vanadio)	Posible traza (refinamiento del grano)	No es típico
Nb/Ti (microaleaciones)	Raro/Trazas (para control de grano si está presente)	Raro/Rayado
B (boro)	Traza (a veces se usa para aumentar la resistencia)	No es típico
N (nitrógeno)	Controlado (si está presente)	Controlado (si está presente)

Cómo afecta la aleación al rendimiento: El carbono es el principal elemento endurecedor para ambos grados; un mayor contenido de carbono aumenta la dureza y la resistencia alcanzables, pero reduce la soldabilidad y la ductilidad si no se templa. - El silicio y el manganeso en 60Si2Mn están diseñados para producir el alto límite elástico y la resistencia a la fatiga necesarios para resortes y piezas de alta ciclicidad. - El cromo en SUP9 aumenta la templabilidad, la resistencia al desgaste y el potencial de endurecimiento secundario, lo que lo hace adecuado para secciones endurecidas más profundas y piezas sujetas a desgaste. - Los elementos traza de microaleación (V, Nb, Ti), cuando están presentes, refinan el tamaño del grano y mejoran la tenacidad sin grandes aumentos de carbono.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Las microestructuras típicas y las respuestas al tratamiento térmico dependen en gran medida del procesamiento:

• SUP9:
• En estado laminado: ferrita-perlita con volumen de perlita dependiente del contenido de carbono.
• Temple y revenido: capaz de producir martensita revenida con carburos finos (carburos ricos en Cr si hay Cr presente), lo que proporciona una alta dureza y resistencia al desgaste.
• Normalización: refina el tamaño del grano y homogeneiza la microestructura; útil antes del temple final para secciones más grandes.

• Respuesta: el cromo y cualquier microaleación aumentan la templabilidad y la resistencia al revenido (dureza retenida a temperaturas de revenido elevadas).

• 60Si2Mn:

• En estado laminado: ferrita-perlita o bainita dependiendo del enfriamiento.
• Temple y revenido (o temple en aceite): produce martensita revenida optimizada para el temple de resortes: alta resistencia a la tracción al tiempo que conserva una tenacidad y una vida a la fatiga razonables.
• El granallado u otros tratamientos superficiales se utilizan a menudo para mejorar la resistencia a la fatiga.
• Respuesta: un alto contenido de silicio favorece un comportamiento de templado que mantiene las propiedades elásticas; el manganeso mejora la templabilidad y la tenacidad.

El procesamiento termomecánico (laminación controlada) puede mejorar la tenacidad y la vida a fatiga de ambos grados mediante la producción de estructuras de grano fino.

4. Propiedades mecánicas

Debido a que las propiedades mecánicas reales dependen del tamaño de la sección y del tratamiento térmico, la tabla a continuación proporciona clasificaciones comparativas cualitativas en condiciones típicas de tratamiento térmico.

Propiedad	SUP9 (HT típico)	60Si2Mn (HT típico)
Resistencia a la tracción	Alto	Muy alta (optimizada con acero para muelles)
Resistencia a la fluencia	Alto	Muy alto (alto rendimiento para acción de resorte)
Alargamiento (ductilidad)	Moderado	Bajo–Moderado (depende del temperamento)
Dureza al impacto	Moderado–Bueno (con el temperamento adecuado)	Moderado (puede ser más bajo si está demasiado enfadado)
Dureza (HRC/HV)	Alto potencial (dependiendo del temple y revenido)	Alto rendimiento alcanzable (para rangos de dureza de resorte específicos)

Interpretación: - El 60Si2Mn generalmente alcanza un límite elástico más alto en relación con la resistencia a la tracción debido a los requisitos de los resortes, lo que proporciona una alta resiliencia y capacidad de fatiga. - El SUP9 suele ofrecer un equilibrio entre resistencia al desgaste y tenacidad; su contenido de cromo mejora la retención de la dureza después del revenido. La tenacidad y la ductilidad dependen en gran medida del revenido: un revenido excesivo reduce la resistencia pero mejora la ductilidad.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de ambos grados debe evaluarse mediante el contenido de carbono, la templabilidad total y la microaleación.

Índices útiles: - Equivalente de carbono (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula Pcm (para predecir la susceptibilidad al agrietamiento por frío):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Evaluación cualitativa: SUP9: Un mayor contenido de cromo y posiblemente otras aleaciones aumenta la $CE$ y la $P_{cm}$ en comparación con los aceros al carbono simples, lo que reduce la soldabilidad sin precalentamiento y procedimientos controlados. El precalentamiento, el control de la temperatura entre pasadas y el revenido posterior a la soldadura suelen ser necesarios para evitar el agrietamiento inducido por hidrógeno y la formación de martensita frágil en la zona afectada por el calor (ZAC). - 60Si2Mn: su alto contenido en carbono y manganeso-silicio también proporciona valores elevados de $CE$ y $P_{cm}$; los aceros para muelles se consideran generalmente difíciles de soldar. Por lo general, se evita la soldadura en componentes críticos de muelles; si es necesaria, se requiere un precalentamiento riguroso, consumibles con bajo contenido de hidrógeno y un tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Recomendación: Para ambos grados, consulte los valores de $CE$ y $P_{cm}$ del calor específico y siga las especificaciones del procedimiento de soldadura elaboradas por un ingeniero de soldadura. En caso de duda, diseñe evitando las juntas soldadas en zonas de alta tensión.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el SUP9 como el 60Si2Mn son aceros al carbono-aleados no inoxidables; su resistencia a la corrosión es limitada y se requiere protección en la mayoría de los entornos.
• Estrategias de protección comunes:
• Galvanizado en caliente para protección contra la corrosión atmosférica.
• Pinturas, recubrimientos en polvo o recubrimientos de conversión (fosfatado) para una protección moderada.
• Recubrimiento localizado (níquel, cromo) o endurecimiento superficial con capas de sacrificio para aplicaciones combinadas de desgaste y corrosión.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos grados no inoxidables, pero a modo de referencia: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice se aplica únicamente a los aceros inoxidables y no es relevante para SUP9 o 60Si2Mn.

Cuando se requiere combinar resistencia a la corrosión y rendimiento mecánico, se deben seleccionar alternativas de acero inoxidable/HSLA o especificar tratamientos superficiales robustos.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• En estado laminado o recocido: ambos pueden mecanizarse con herramientas estándar, pero el alto contenido de carbono y aleación reduce la maquinabilidad en comparación con los aceros de bajo carbono.
• Tras el endurecimiento: el mecanizado se vuelve complicado; el rectificado y la electroerosión son habituales para el acabado de las piezas endurecidas.
• Formabilidad:
• El 60Si2Mn en estado recocido se forma y moldea bien; después del endurecimiento/conformación recupera sus propiedades elásticas.
• El SUP9 puede requerir un conformado cuidadoso debido a su mayor contenido de aleación; se prefiere el conformado en caliente o en condiciones más blandas.
• Debe tenerse en cuenta el riesgo de distorsión y agrietamiento por tratamiento térmico; los medios y dispositivos de enfriamiento controlado pueden mitigar la distorsión.
• Acabado superficial: las superficies endurecidas se acaban mejor mediante rectificado; los tratamientos de nitruración o carburización modifican las estrategias de mecanizado superficial.

8. Aplicaciones típicas

SUP9 – Usos típicos	60Si2Mn – Usos típicos
Componentes de desgaste, pasadores, ejes, rodillos donde se requiere resistencia al desgaste y tenacidad	Muelles de ballesta, muelles helicoidales, barras de torsión, abrazaderas de muelles
Piezas que requieren un endurecimiento más profundo o una mayor resistencia al revenido	Componentes sometidos a fatiga de alto ciclo en suspensiones y articulaciones mecánicas
Bujes y engranajes pequeños donde se requiere dureza superficial o total	Muelles para maquinaria automotriz, ferroviaria e industrial
Piezas que pueden someterse a tratamiento superficial (p. ej., nitruración) para combinar propiedades de desgaste y fatiga	Elementos de fijación y formas de alambre que requieren acción de resorte

Justificación de la selección: - Elija SUP9 cuando un componente requiera una combinación de resistencia al desgaste, mayor capacidad de endurecimiento y buena resistencia al revenido, especialmente cuando la presencia de cromo aumenta la vida útil. - Elija 60Si2Mn cuando el requisito principal sea un límite elástico alto, capacidad de retorno y resistencia a la fatiga, típicos de las aplicaciones de resortes.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El acero 60Si2Mn suele ser rentable para aplicaciones de acero para muelles porque los aceros para muelles de silicio-manganeso se producen ampliamente.
• El SUP9 puede resultar algo más caro debido al cromo y a cualquier aleación adicional; el coste también depende del tratamiento térmico y el acabado necesarios.
• Disponibilidad:
• Ambos grados suelen estar disponibles en barras, alambres, flejes y piezas forjadas; la disponibilidad en tamaños/formas específicas depende de las fábricas y distribuidores regionales.
• El departamento de compras debe solicitar los certificados de fábrica y verificar los plazos de entrega para tratamientos térmicos especiales o tolerancias químicas estrictas.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Criterio	SUP9	60Si2Mn
Soldabilidad	Moderado-Difícil (requiere controles)	Difícil (alta temperatura; a menudo requiere precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta resistencia con mejor resistencia al desgaste y al revenido	Muy alta resistencia a la fatiga y al límite elástico; comportamiento específico del resorte
Costo	Costo de aleación moderado a alto	Moderado-Bajo (acero para muelles de uso común)

Conclusiones: - Elija SUP9 si necesita: - Un acero con templabilidad y resistencia al desgaste mejoradas para piezas que se someterán a un proceso de endurecimiento total o que requerirán una mayor resistencia al revenido. - Componentes que serán tratados superficialmente (nitruración/carburización) o que requieren secciones endurecidas más profundas con una tenacidad aceptable. - Elija 60Si2Mn si lo necesita: - Un acero para muelles específico con alto límite elástico, excelente resistencia a la fatiga y disponibilidad rentable para muelles, clips y componentes de alto ciclo. - Material optimizado para una recuperación elástica y resiliencia repetibles en lugar de una máxima resistencia al desgaste.

Nota final: Verifique siempre los datos químicos y mecánicos exactos con el certificado de fabricación del proveedor y la norma aplicable. Adapte los procedimientos de tratamiento térmico y soldadura a la composición química específica del lote y la geometría del componente; consulte con especialistas en metalurgia y soldadura para los componentes críticos.