X12CrMo5 vs X20CrMoV12-1 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los ingenieros y profesionales de compras a menudo se enfrentan a la elección entre aceros que, aunque parecen similares en teoría, cumplen funciones distintas en la práctica: uno ofrece resistencia a la corrosión y a altas temperaturas, con una tenacidad y soldabilidad razonables; el otro está optimizado para herramientas de trabajo en caliente y resistencia al desgaste a altas temperaturas. El dilema de la selección suele centrarse en el equilibrio entre la resistencia a la corrosión y el coste, o entre la dureza en caliente/resistencia al desgaste y la facilidad de fabricación/soldabilidad.
La principal diferencia entre estos dos aceros de designación alemana es funcional: uno es un acero inoxidable martensítico con cromo, diseñado para aplicaciones a altas temperaturas y resistente a la corrosión; el otro es un acero para herramientas de aleación de molibdeno-vanadio con alto contenido de cromo, diseñado para trabajos en caliente y mecanizado donde la dureza en caliente y la resistencia al desgaste son cruciales. Debido a que ambos contienen cantidades significativas de cromo y elementos de aleación, los diseñadores los comparan cuando las piezas estarán expuestas a altas temperaturas, contacto abrasivo o ciclos térmicos.
1. Normas y designaciones
- Normas comunes donde aparecen estas designaciones: EN/DIN (europeas), ISO (cuando corresponda) y equivalentes nacionales (ASTM/ASME, JIS, GB). Los números de referencia exactos pueden variar; verifique siempre con los certificados del fabricante del proveedor y las normas vigentes.
- Clase de material:
- X12CrMo5 — una aleación de cromo martensítica, comúnmente clasificada entre los aceros inoxidables resistentes al calor o martensíticos en lugar de los aceros para herramientas.
- X20CrMoV12-1 — un acero para trabajo en caliente/herramientas (grado Cr–Mo–V de alta aleación), que normalmente se incluye en las normas EN/ISO como acero para herramientas (trabajo en caliente).
2. Composición química y estrategia de aleación
| Elemento | X12CrMo5 (función típica) | X20CrMoV12-1 (función típica) |
|---|---|---|
| do | De baja a moderada; permite el endurecimiento martensítico manteniendo una soldabilidad y tenacidad aceptables. | Moderado; favorece una mayor templabilidad y resistencia al desgaste mediante la formación de carburos. |
| Minnesota | Baja; desoxidación y ligera endurecebilidad | De baja a moderada; contribuye a la endurecimiento |
| Si | Bajo; contribuyente desoxidante y fortalecedor | Baja; poder desoxidante y resistencia a altas temperaturas |
| PAG | Traza; se mantuvo bajo para mayor resistencia | Traza; se mantuvo bajo para mayor resistencia |
| S | Traza; controlada para maquinabilidad | Traza; controlada para maquinabilidad |
| Cr | Alta; principal para resistencia a la corrosión y resistencia al revenido | Muy alta; principal para dureza en rojo, resistencia al desgaste y formación de carburos. |
| Ni | Normalmente mínimo/ausente | Normalmente mínimo/ausente |
| Mes | Moderado; mejora la resistencia a la fluencia y a altas temperaturas | De moderado a alto; mejora la dureza en caliente y la resistencia al revenido. |
| V | Bajo o trazas; refina los carburos/microestructura | Presente; forma carburos de vanadio duros para mayor resistencia al desgaste |
| Nb/Ti | Generalmente ausente o en cantidades mínimas; estabilización del grano si está presente | Posible traza; refinamiento de grano y control de carburos |
| B | Trazar si está presente para la endurecimiento | Posible traza; modificador de templabilidad en algunas fusiones. |
| norte | Muy bajo; controlado | Muy bajo; controlado |
Notas: La tabla muestra la presencia relativa y la función metalúrgica, no los porcentajes exactos. Para la adquisición y el control de procesos, utilice los certificados de fábrica y las designaciones EN/ASTM para conocer los límites de composición exactos.
Cómo afecta la aleación al comportamiento: El cromo aumenta la resistencia a la corrosión, la resistencia al revenido y la capacidad de formación de carburos. En los aceros inoxidables martensíticos proporciona pasividad; en los aceros para herramientas contribuye a la dureza en caliente y a la resistencia al desgaste. - El molibdeno y el vanadio aumentan la dureza en caliente, la resistencia al revenido y la formación de carburos estables, mejorando la resistencia al desgaste a temperaturas elevadas. - El carbono controla la dureza y la templabilidad alcanzables, pero reduce la soldabilidad y la tenacidad a medida que aumenta su concentración.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas tras el procesamiento estándar: - X12CrMo5: en estado recocido/normalizado, produce una matriz de ferrita/perlita o martensita blanda, según el tratamiento. Tras el temple y el revenido, forma martensita revenida con carburos finamente dispersos; puede aparecer algo de austenita retenida dependiendo de la aleación y el enfriamiento. - X20CrMoV12-1: en estado recocido, contiene martensita revenida y una cantidad significativa de carburos de aleación (carburos ricos en cromo y carburos de vanadio). Tras un temple y revenido adecuados para aceros de trabajo en caliente, una matriz de martensita revenida con carburos duros estables proporciona la combinación de tenacidad y dureza en caliente.
Cómo afectan los tratamientos térmicos a cada uno: - Normalización/refinamiento: ambos grados se benefician de la normalización para refinar el tamaño del grano; la distribución de carburos en el acero para herramientas es más crítica y a menudo requiere ciclos de enfriamiento controlados. Temple y revenido: ambos procesos responden bien a los ciclos de temple y revenido. El X20CrMoV12-1 se endurece generalmente hasta alcanzar una mayor dureza final mediante temperaturas de revenido más elevadas, con el objetivo de preservar la dureza en estado caliente; el revenido produce un endurecimiento secundario estable debido a los carburos de Mo/V. El X12CrMo5 se templa para equilibrar la tenacidad y la dureza en servicio y puede utilizarse tanto templado como revenido, o como grado reforzado por precipitación para resistencia a la fluencia. - Procesamiento termomecánico: se aplica más comúnmente a aceros donde se requiere una combinación de resistencia y tenacidad en niveles de aleación más bajos; para aceros para herramientas, el forjado controlado y el tratamiento térmico para optimizar la morfología del carburo son estándar.
4. Propiedades mecánicas
| Propiedad | X12CrMo5 (comportamiento típico) | X20CrMoV12-1 (comportamiento típico) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Moderado: suficiente para muchas piezas estructurales de alta temperatura | Mayor resistencia — diseñada para soportar tensiones de tracción y compresión elevadas en herramientas. |
| límite elástico | Moderado | Más alto |
| Alargamiento | Mayor (más dúctil en condiciones comparables) | Menor (compensación por dureza/resistencia al desgaste) |
| Tenacidad al impacto | Generalmente, presenta una mayor resistencia cuando está correctamente templada. | Menor; los aceros para herramientas sacrifican algo de tenacidad a cambio de resistencia al desgaste y dureza en caliente. |
| Dureza (endurecido/templado) | De moderado a alto (dependiendo del servicio) | Por lo general, se logra una mayor dureza y se mantiene la dureza a temperaturas elevadas. |
Explicación: El X20CrMoV12-1 está optimizado para ofrecer resistencia y durabilidad a altas temperaturas, logrando así una mayor dureza y resistencia tras un tratamiento térmico adecuado, gracias a su mayor contenido de aleación y elementos formadores de carburos. El X12CrMo5, diseñado para resistir la oxidación y la corrosión, y mantener su tenacidad, ofrece una mejor ductilidad y resistencia al impacto en diversas condiciones de revenido.
5. Soldabilidad
La soldabilidad debe evaluarse utilizando conceptos de equivalencia de carbono y contenido de aleación. Dos expresiones empíricas de uso común son:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación (cualitativa): - Un valor calculado más alto de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ indica un mayor riesgo de agrietamiento en frío y una mayor necesidad de precalentamiento, control de temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura. - El acero X12CrMo5 generalmente presenta valores de carbono equivalente más bajos que los aceros para herramientas de aleación pesada, lo que le confiere una soldabilidad relativamente mejor; el comportamiento del acero inoxidable martensítico aún requiere calentamiento controlado y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para evitar el agrietamiento y restaurar el temple. La aleación X20CrMoV12-1, con mayor contenido de Cr, Mo y V, generalmente presenta mayor templabilidad y un mayor equivalente de carbono, lo que dificulta su soldadura: suele requerir precalentamiento, prácticas con bajo contenido de hidrógeno y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). La selección del material de aporte debe considerar la temperatura de servicio requerida, la tenacidad deseada y la susceptibilidad a la fragilización por revenido.
6. Corrosión y protección de superficies
- X12CrMo5: al ser un acero inoxidable martensítico con contenido de cromo, ofrece una resistencia a la corrosión apreciable en comparación con los aceros al carbono. Su comportamiento pasivo depende del contenido de cromo y del tratamiento térmico; en muchos entornos, su rendimiento es óptimo sin recubrimientos, pero en medios agresivos, puede ser necesario aplicar recubrimientos protectores o pasivación.
- X20CrMoV12-1: como acero para herramientas no es un grado inoxidable; requiere medidas de protección en ambientes corrosivos como recubrimientos (nitruración, recubrimientos PVD/CVD para desgaste), pintura o chapado (el galvanizado es posible para algunas formas, pero puede no ser adecuado para superficies de herramientas).
- Cuando los índices de corrosión son relevantes (aleaciones de acero inoxidable), se utiliza PREN para comparar la resistencia a la corrosión por picaduras:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Este índice no es aplicable a los aceros para herramientas diseñados principalmente para resistencia al desgaste/dureza en caliente.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Mecanizado: El acero X20CrMoV12-1 es más difícil de mecanizar en estado endurecido debido a la estabilidad de sus carburos y su mayor dureza; en estado recocido se mecaniza como un acero de alta aleación, pero requiere herramientas y refrigerante de calidad. La maquinabilidad del X12CrMo5 es moderada y, a menudo, superior a la de los aceros para herramientas de alta aleación, sobre todo en condiciones de baja dureza.
- Conformado/doblado: El X12CrMo5 en estado recocido tiene mejor conformabilidad; el X20CrMoV12-1 no está diseñado para conformado severo en estado endurecido y normalmente se trabaja en caliente o se forja hasta obtener una forma casi final antes del tratamiento térmico final.
- Acabado superficial: ambos tipos de acero pueden rectificarse y acabarse; los aceros para herramientas a menudo requieren un rectificado especializado para trabajar con carburos duros; los grados similares al acero inoxidable requieren atención para evitar la coloración por calor y preservar la resistencia a la corrosión.
8. Aplicaciones típicas
| X12CrMo5 (usos comunes) | X20CrMoV12-1 (usos comunes) |
|---|---|
| Componentes estructurales de alta temperatura con resistencia moderada a la corrosión (válvulas, componentes de hornos, ejes expuestos a oxidación a alta temperatura). | Herramientas para trabajo en caliente: matrices, moldes de fundición a presión, matrices de extrusión, matrices de forja sometidas a altas temperaturas y desgaste. |
| Piezas que requieren un equilibrio entre tenacidad y resistencia a altas temperaturas | Insertos y componentes de herramientas donde la dureza en caliente y la resistencia al desgaste son cruciales. |
| Componentes donde se utilizará soldadura y revenido posterior a la soldadura | Componentes mecanizados a partir de bloques de acero para herramientas y tratados térmicamente para su uso. |
Justificación de la selección: - Elija la aleación de cromo martensítico cuando la resistencia a la corrosión, la facilidad de fabricación y una mejor ductilidad/tenacidad sean prioridades. - Elija el acero para herramientas Cr–Mo–V cuando la principal exigencia sea la resistencia al desgaste, la dureza en caliente y la estabilidad dimensional bajo cargas térmicas/mecánicas cíclicas.
9. Costo y disponibilidad
- Coste: Los aceros para herramientas como el X20CrMoV12-1 suelen ser más caros por kilogramo que los aceros inoxidables martensíticos debido a su mayor contenido de aleación (Mo, V) y a un procesamiento más especializado. El acero para herramientas también conlleva mayores costes de procesamiento (tratamiento térmico, rectificado).
- Disponibilidad: Los distribuidores más grandes suelen tener en stock aceros X12CrMo5 y grados similares en forma de barras, placas y tubos; los aceros para herramientas están disponibles, pero a menudo en formatos de producto más limitados (piezas en bruto para herramientas, bloques forjados, placas) y pueden fabricarse bajo pedido o adquirirse de proveedores especializados de aceros para herramientas.
10. Resumen y recomendación
| Criterio | X12CrMo5 | X20CrMoV12-1 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | De buena a moderada (requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura para aceros inoxidables martensíticos) | Desafiante: requiere precalentamiento, prácticas con bajo contenido de hidrógeno y tratamiento térmico posterior a la soldadura. |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Resistencia moderada con mejor ductilidad/tenacidad | Alta resistencia y dureza, menor ductilidad/tenacidad |
| Costo | De bajo a moderado | Más alto |
Recomendación: - Elija X12CrMo5 si necesita un acero martensítico resistente a la corrosión y al calor, con una fabricación más tolerante y una mejor tenacidad general para componentes expuestos a la oxidación o a entornos de alta temperatura ligeramente corrosivos, y cuando la soldadura o el costo sean una prioridad. - Elija X20CrMoV12-1 si las condiciones de servicio exigen alta resistencia al desgaste, dureza en caliente y estabilidad dimensional bajo cargas térmicas y mecánicas cíclicas (herramientas de trabajo en caliente, insertos de moldes), y donde los mayores costos de material y procesamiento se justifican por la vida útil y el rendimiento de la herramienta.
Nota final: Ambos grados requieren la especificación de los requisitos químicos y mecánicos exactos según las normas o las fichas técnicas del proveedor para el diseño, la fabricación y la adquisición. Utilice certificados de fábrica y realice pruebas de soldadura de precalificación en condiciones de servicio exigentes.