ZF100 vs ZF140 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros ZF100 y ZF140 son grados comerciales que se encuentran en las cadenas de suministro de componentes de ingeniería, estructuras pesadas y piezas sometidas a desgaste o carga. Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse al dilema de elegir entre un acero de menor aleación, más fácil de fabricar, y una alternativa de mayor aleación y resistencia, cuando la demanda en servicio justifica el coste adicional. Los factores típicos de decisión incluyen el equilibrio entre soldabilidad y resistencia, coste de producción y vida útil, y facilidad de tratamiento térmico frente a templabilidad alcanzable.

La principal diferencia técnica entre ambos grados radica en su estrategia de aleación: el ZF140 se formula con un mayor grado de adiciones de aleación para aumentar la templabilidad y la resistencia, mientras que el ZF100 se especifica con una composición más cercana a una aleación menor y más fácil de soldar. Por ello, los diseñadores los comparan frecuentemente cuando el equilibrio entre resistencia, tenacidad, soldabilidad y coste es crucial.

1. Normas y designaciones

• Principales especificaciones internacionales del acero que se utilizan para clasificar o comparar aceros similares:
• ASTM / ASME (Estados Unidos)
• EN / EN ISO (Europa)
• JIS (Japón)
• GB (China)
• ISO (Internacional)
• Nota sobre equivalencias directas: ZF100 y ZF140 son designaciones de producto de proveedores o regiones, no nombres estandarizados universalmente. Se recomienda a los compradores solicitar certificados de ensayo de fábrica y fichas técnicas químicas/mecánicas para una referencia cruzada exacta con las normas ASTM, EN, JIS o GB.
• Clasificación (general):
• ZF100: normalmente se comercializa como un acero estructural/de ingeniería de aleación o aleación media (tratable térmicamente, no inoxidable).
• ZF140: normalmente se comercializa como un acero estructural/de ingeniería de alta aleación con mayor templabilidad y resistencia (acero aleado tratable térmicamente).
• Ninguno de los dos se clasifica comúnmente como acero inoxidable; no son aceros para herramientas propiamente dichos, pero pueden utilizarse en aplicaciones templadas y revenidas similares a las de los aceros HSLA/aleados, dependiendo de su formulación.

2. Composición química y estrategia de aleación

A continuación se presenta una comparación cualitativa de la composición. Debido a que las designaciones de ZF son específicas de cada proveedor y los rangos de composición varían según la fuente, la tabla utiliza descriptores de nivel relativo (Trazas / Bajo / Medio / Alto / Notable) en lugar de porcentajes absolutos.

Elemento	Rol típico	ZF100 (relativo)	ZF140 (relativo)
C (carbono)	Compromiso entre resistencia, templabilidad y soldabilidad	Medio	Medio-alto
Mn (manganeso)	Resistencia, desoxidación, templabilidad	Medio	Medio-alto
Si (silicio)	Desoxidación, fuerza	Bajo–Medio	Bajo–Medio
P (fósforo)	Impureza; riesgo de fragilización	Trazas-Bajo	Trazas-Bajo
S (azufre)	Maquinabilidad (si se añade), pero riesgo de fragilización.	Rastro	Rastro
Cr (cromo)	Templabilidad, resistencia al desgaste y a la corrosión	Bajo	Medio
Ni (níquel)	Resistencia a bajas temperaturas	Trazas-Bajo	Trazas-Bajo
Mo (molibdeno)	Templabilidad, resistencia a la fluencia	Trazas-Bajo	Bajo–Medio
V (vanadio)	Refinamiento del grano, resistencia al temple	Rastro	Trazas-Bajo
Nb/Ti/B (microaleación)	Control de granos, fortalecimiento por precipitación	Rastro (posible)	Trazas–Bajo (posible)
N (nitrógeno)	Resistencia mediante nitruros si se alea.	Rastro	Rastro

Cómo afecta la aleación al rendimiento - El aumento de carbono y manganeso incrementa la resistencia y la templabilidad, pero reduce la soldabilidad y la ductilidad si no se controla. - El cromo, el molibdeno y el vanadio aumentan la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas y mejoran la resistencia al revenido; útiles para secciones más gruesas que necesitan un endurecimiento uniforme en toda su extensión. - Los elementos de microaleación (Nb, Ti, V) refinan el tamaño del grano y mejoran la tenacidad sin grandes penalizaciones de carbono. - El mayor contenido de aleación agregada en ZF140 proporciona una mejor templabilidad y una mayor resistencia tras el temple; ZF100 enfatiza las propiedades equilibradas con características de fabricación mejoradas.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

microestructuras típicas - ZF100: Al normalizarse, produce una mezcla de ferrita y perlita o estructuras bainíticas refinadas, dependiendo del enfriamiento. Al templarse y revenirse, forma martensita revenida o bainita revenida con buena ductilidad y tenacidad si el contenido de carbono es moderado. - ZF140: Gracias a su mayor aleación y templabilidad, el temple produce de forma más fiable una estructura martensítica o martensítico-bainítica, incluso en secciones más gruesas. Tras el revenido, se espera obtener martensita revenida con mayor resistencia residual y mejor resistencia al revenido.

Rutas y efectos del tratamiento térmico - Normalización: Ambos grados responden a la normalización con un refinamiento del grano; el contenido de aleación del ZF140 ralentiza la cinética de transformación, produciendo bainita/martensita más fina a las mismas velocidades de enfriamiento en comparación con el ZF100. Temple y revenido: El ZF140 alcanza una mayor templabilidad; en condiciones de temple equivalentes, el ZF140 suele lograr una mayor dureza tras el temple y, por lo tanto, una mayor resistencia tras el revenido. El ZF100 requiere un temple menos severo o temperaturas de revenido más bajas para alcanzar resistencias moderadas con una tenacidad mejorada. - Procesamiento termomecánico: El laminado en caliente con enfriamiento controlado (TMCP) puede producir microestructuras bainíticas de grano fino en ambos grados; los efectos son más pronunciados en ZF140 debido al control de la transformación asistida por aleación.

4. Propiedades mecánicas

Debido a que las especificaciones varían entre proveedores, la tabla a continuación proporciona descriptores comparativos en lugar de valores absolutos.

Propiedad	ZF100 (típico)	ZF140 (típico)
Resistencia a la tracción	Moderado	Más alto
límite elástico	Moderado	Más alto
Alargamiento (ductilidad)	Mejor (más alto)	Moderado bajo
Tenacidad al impacto	Bueno (especialmente cuando está templado)	Es bueno, pero puede requerir un templado controlado para evitar la fragilidad.
Dureza (HRC/HB relativa)	Moderado	Más alto

Interpretación El acero ZF140 está diseñado para ofrecer mayor resistencia y dureza gracias a su mayor contenido de aleación y templabilidad. Esto lo hace preferible cuando se requiere capacidad de carga, resistencia al desgaste o secciones delgadas de alta resistencia tratadas térmicamente. - El ZF100 generalmente ofrece una ductilidad superior y una mayor facilidad para lograr tenacidad en una variedad de tratamientos térmicos, lo que lo hace tolerante en la fabricación y para ensamblajes soldados.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del equivalente de carbono, la aleación, el espesor de la sección y el control térmico previo y posterior a la soldadura. Índices representativos utilizados por los ingenieros:

• Equivalente de carbono (forma IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Parámetro de soldadura $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa - ZF100: Un menor contenido total de aleación generalmente produce un $CE_{IIW}$ y un $P_{cm}$ menores, lo que se traduce en una mejor soldabilidad y menores requisitos de tratamiento térmico previo/posterior a la soldadura (PWHT) para espesores de sección delgados a moderados. - ZF140: Una mayor aleación aumenta tanto la $CE_{IIW}$ como la $P_{cm}$, lo que incrementa el riesgo de fisuración en frío inducida por hidrógeno y de dureza martensítica en el metal de soldadura. Es más probable que se requiera precalentamiento, control de la temperatura entre pasadas, consumibles con bajo contenido de hidrógeno y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), especialmente en secciones más gruesas.

Orientación práctica - Calcule siempre el equivalente de carbono pertinente a partir de la química del molino y evalúelo para el espesor de la sección. - Especificar las cualificaciones del procedimiento de soldadura (WPS/PQR) y los límites de medición de hidrógeno para ZF140 en condiciones exigentes.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el ZF100 ni el ZF140 son inoxidables según las formulaciones estándar; la resistencia a la corrosión proviene de tratamientos superficiales.
• Estrategias de protección comunes:
• Galvanizado en caliente para protección atmosférica.
• Revestimientos orgánicos (pintura, pintura en polvo) para decoración y protección contra la corrosión.
• Metalización o recubrimiento para lograr resistencia localizada al desgaste y la corrosión.
• Cuando se requieren aceros inoxidables o aleaciones resistentes a la corrosión, estos no son sustitutos. No utilice índices de acero inoxidable como PREN a menos que el acero contenga una aleación intencional de acero inoxidable. $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Nota: Normalmente, PREN no es aplicable a ZF100/ZF140 a menos que un proveedor proporcione explícitamente productos químicos de grado inoxidable.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: El ZF100 generalmente se mecaniza con mayor facilidad debido a su menor dureza y contenido de aleación. El ZF140, con mayor dureza y aleación, puede requerir herramientas más robustas, velocidades de corte más bajas y cambios de herramienta más frecuentes.
• Conformabilidad: El ZF100 ofrece una mejor capacidad de conformado en frío gracias a su mayor ductilidad. El ZF140 puede requerir conformado en caliente o procedimientos de doblado controlado, y debe tenerse en cuenta su recuperación elástica.
• Acabado: El rectificado, el granallado y el acabado superficial consumen más recursos en ZF140 debido a su mayor dureza; el control de la tensión superficial durante el procesamiento también es más crítico.

8. Aplicaciones típicas

ZF100 – Usos típicos	ZF140 – Usos típicos
Piezas estructurales generales, ejes de servicio medio, bastidores, conjuntos soldados donde el coste de fabricación y la soldabilidad son importantes.	Ejes de alta resistencia, engranajes, componentes sometidos a gran desgaste, piezas templadas y revenidas donde se requiere mayor templabilidad y resistencia.
Componentes que requieren buena ductilidad y resistencia al impacto después de un tratamiento térmico estándar.	Componentes en secciones más gruesas donde se necesita endurecimiento total sin una severidad de temple excesiva
Piezas y soportes de máquinas de servicio mediano que serán protegidos con recubrimientos.	Piezas expuestas a tensiones mecánicas elevadas, desgaste moderado o cargas de fatiga exigentes

Justificación de la selección Elija la calidad que mejor se ajuste a los requisitos funcionales, en lugar de basarse únicamente en la resistencia nominal. El ZF100 es adecuado cuando la fabricación, la soldabilidad y la rentabilidad son prioritarias. El ZF140 se elige cuando se requiere mayor resistencia al servicio, resistencia al desgaste o la capacidad de lograr una dureza uniforme en secciones más gruesas.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El ZF140 suele ser más caro por tonelada debido a su mayor contenido de aleación y a los controles más estrictos de procesamiento y tratamiento térmico. El ZF100 tiende a ser la opción más económica.
• Disponibilidad: Ambos grados pueden estar disponibles en placas, barras y forjados de acerías especializadas; sin embargo, los análogos de ZF100 se encuentran en mayor cantidad en stock. El ZF140 puede fabricarse bajo pedido o tener plazos de entrega más largos, dependiendo del productor y del tratamiento térmico requerido.
• Recomendaciones para compras: Solicite información sobre el tratamiento térmico, los certificados de ensayo de fábrica (químicos y mecánicos), las condiciones de entrega y el formato de suministro (placa, barra, forjado). Negocie los plazos de entrega y las cantidades mínimas de pedido para calidades no estándar.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa)

Criterios	ZF100	ZF140
Soldabilidad	Mejor (menor CE)	Moderado-Exigente (CE más alto)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Buena tenacidad y ductilidad con una resistencia moderada.	Mayor resistencia con buena tenacidad si se templa correctamente.
Costo	Más bajo	Más alto

Conclusión - Elija ZF100 si: La velocidad de fabricación, la soldabilidad y el menor coste de los materiales son los principales factores determinantes. - Las piezas son de espesor delgado a moderado, donde no se requiere una alta templabilidad. - La ductilidad y la tenacidad de absorción de energía son importantes.

• Elija ZF140 si:
• Una mayor resistencia a través del espesor y una mayor resistencia al desgaste son esenciales.
• Los componentes deben alcanzar resistencias elevadas tras el temple y revenido en las secciones más gruesas.
• El proyecto permite incorporar procedimientos de soldadura más exigentes, precalentamiento/PWHT y un mayor coste de materiales para una mayor vida útil.

Nota final sobre adquisiciones: Obtenga siempre los datos químicos y mecánicos exactos de la fábrica para el lote específico de ZF100 o ZF140 que se esté considerando. Utilice cálculos de carbono equivalente y la validación de WPS/PQR para calificar los procedimientos de soldadura y especifique el tratamiento térmico posterior a la soldadura cuando lo requieran las condiciones de servicio.