Acero para cojinetes: propiedades y aplicaciones clave

El acero para rodamientos es una categoría especializada de acero diseñada principalmente para la fabricación de rodamientos de elementos rodantes. Estos aceros se caracterizan por su alta dureza, resistencia al desgaste y capacidad para mantener la estabilidad dimensional bajo carga. Generalmente clasificados como aceros de aleación con alto contenido de carbono, los aceros para rodamientos suelen contener elementos de aleación como cromo, manganeso y molibdeno, que mejoran sus propiedades mecánicas y su rendimiento en aplicaciones exigentes.

Descripción general completa

Los aceros para rodamientos están diseñados para soportar altos niveles de tensión y fricción, lo que los hace esenciales en diversas aplicaciones mecánicas, como la automoción, la industria aeroespacial y la maquinaria industrial. Los principales elementos de aleación en los aceros para rodamientos incluyen:

• Carbono (C) : Aumenta la dureza y la resistencia mediante tratamiento térmico.
• Cromo (Cr) : mejora la templabilidad y la resistencia a la corrosión, lo que contribuye a la durabilidad general del acero.
• Manganeso (Mn) : Mejora la tenacidad y la resistencia al desgaste.
• Molibdeno (Mo) : aumenta la resistencia a temperaturas elevadas y mejora la templabilidad.

Las características más significativas de los aceros para cojinetes incluyen:

• Alta dureza : lograda mediante tratamiento térmico, lo que permite una excelente resistencia al desgaste.
• Estabilidad dimensional : mantiene la forma y el tamaño bajo carga, crucial para aplicaciones de precisión.
• Resistencia a la fatiga : capaz de soportar cargas cíclicas sin fallar.

Ventajas :
- Excelente resistencia al desgaste y durabilidad.
- Alta capacidad de carga.
- Buena maquinabilidad y respuesta al tratamiento térmico.

Limitaciones :
- Propenso a la corrosión si no se trata o recubre adecuadamente.
- Mayor coste en comparación con los aceros al carbono estándar.
- Requiere un tratamiento térmico preciso para lograr las propiedades deseadas.

Históricamente, los aceros para cojinetes han desempeñado un papel fundamental en el desarrollo de maquinaria y vehículos, evolucionando desde simples aceros al carbono hasta composiciones de aleaciones avanzadas que satisfacen las demandas de la ingeniería moderna.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	GCr15	EE.UU	Equivalente más cercano a AISI 52100
AISI/SAE	52100	EE.UU	Acero para cojinetes de uso común
ASTM	A295	EE.UU	Especificación para acero para cojinetes de cromo con alto contenido de carbono
ES	100Cr6	Europa	Equivalente a AISI 52100 con ligeras diferencias de composición.
JIS	SUJ2	Japón	Propiedades similares, a menudo utilizadas en aplicaciones japonesas.
GB	GCr15	Porcelana	Equivalente a AISI 52100

Las sutiles diferencias entre estos grados pueden afectar el rendimiento en aplicaciones específicas. Por ejemplo, si bien el GCr15 y el AISI 52100 son prácticamente idénticos, el GCr15 puede presentar niveles de impurezas ligeramente diferentes, lo que puede afectar la resistencia a la fatiga.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	0,95 - 1,05
Cr (cromo)	1.30 - 1.65
Mn (manganeso)	0,30 - 0,50
Mo (molibdeno)	0,10 - 0,30
Si (silicio)	0,15 - 0,40
P (Fósforo)	≤ 0,025
S (Azufre)	≤ 0,025

La función principal de los elementos de aleación clave en el acero para cojinetes es la siguiente:

• Carbono : Esencial para lograr alta dureza y resistencia mediante tratamiento térmico.
• Cromo : Proporciona templabilidad y mejora la resistencia al desgaste y la corrosión.
• Manganeso : Mejora la tenacidad y ayuda en el proceso de desoxidación durante la fabricación de acero.
• Molibdeno : mejora la resistencia a temperaturas elevadas y contribuye a la tenacidad general del acero.

Propiedades mecánicas

Propiedad	Condición/Temperamento	Temperatura de prueba	Valor/rango típico (métrico)	Valor/rango típico (imperial)	Norma de referencia para el método de prueba
Resistencia a la tracción	Templado y revenido	Temperatura ambiente	1000 - 1200 MPa	145 - 174 ksi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	850 - 1000 MPa	123 - 145 ksi	ASTM E8
Alargamiento	Templado y revenido	Temperatura ambiente	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Dureza	Templado y revenido	Temperatura ambiente	58 - 65 HRC	58 - 65 HRC	ASTM E18
Resistencia al impacto	Templado y revenido	-20 °C (-4 °F)	20 - 30 J	15 - 22 pies-lbf	ASTM E23

La combinación de estas propiedades mecánicas hace que el acero para cojinetes sea especialmente adecuado para aplicaciones que involucran altas cargas cíclicas y resistencia al desgaste, como en los cojinetes de rodillos, donde tanto la resistencia a la tracción como la resistencia al rendimiento son fundamentales para el rendimiento.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (métrico)	Valor (Imperial)
Densidad	Temperatura ambiente	7,85 g/cm³	0,284 lb/pulgada³
Punto de fusión	-	1420 - 1540 °C	2590 - 2810 °F
Conductividad térmica	Temperatura ambiente	45 W/m·K	31 BTU·pulgada/h·pie²·°F
Capacidad calorífica específica	Temperatura ambiente	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Resistividad eléctrica	Temperatura ambiente	0,0006 Ω·m	0,00002 Ω·pulgada

Propiedades físicas clave, como la densidad y la conductividad térmica, son importantes para aplicaciones donde el peso y la disipación del calor son cruciales. Su alto punto de fusión indica una buena estabilidad térmica, lo que hace que el acero para rodamientos sea adecuado para entornos de alta temperatura.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C/°F)	Clasificación de resistencia	Notas
cloruros	3-5	25 °C (77 °F)	Justo	Riesgo de corrosión por picaduras
Ácido sulfúrico	10-20	25 °C (77 °F)	Pobre	No recomendado
Agua de mar	-	25 °C (77 °F)	Justo	Requiere capa protectora
Atmosférico	-	-	Bien	Susceptible a la oxidación

Los aceros para rodamientos suelen presentar una resistencia moderada a la corrosión. Son susceptibles a la corrosión por picaduras en entornos con cloruros y deben protegerse con recubrimientos o tratamientos superficiales en aplicaciones corrosivas. En comparación con los aceros inoxidables, los aceros para rodamientos presentan una menor resistencia a la corrosión, lo que los hace menos adecuados para entornos con alta humedad o agentes corrosivos.

Resistencia al calor

Propiedad/Límite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observaciones
Temperatura máxima de servicio continuo	150°C	302°F	Más allá de esto, las propiedades se degradan.
Temperatura máxima de servicio intermitente	200°C	392°F	Sólo exposición a corto plazo
Temperatura de escala	300°C	572°F	Riesgo de oxidación más allá de esto

Los aceros para rodamientos mantienen sus propiedades mecánicas hasta temperaturas moderadas, pero pueden comenzar a perder dureza y resistencia a temperaturas elevadas. La oxidación puede ocurrir a altas temperaturas, lo que requiere medidas de protección en aplicaciones de alta temperatura.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
MIG	ER70S-6	Argón + CO2	Se recomienda precalentar
TIG	ER80S-Ni	Argón	Requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Palo	E7018	-	No es ideal para secciones gruesas.

Generalmente, no se recomienda soldar los aceros para cojinetes debido a su alto contenido de carbono, que puede provocar grietas. El precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura son esenciales para mitigar estos riesgos.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	Acero para cojinetes (AISI 52100)	Acero de referencia (AISI 1212)	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	60%	100%	Requiere herramientas de alta velocidad
Velocidad de corte típica (torneado)	30-50 m/min	60-80 m/min	Utilice herramientas de carburo para obtener mejores resultados.

La maquinabilidad es moderada; se recomiendan herramientas de acero rápido o carburo para un mecanizado eficaz. Una refrigeración y lubricación adecuadas son fundamentales para evitar el sobrecalentamiento y el desgaste de la herramienta.

Formabilidad

Los aceros para rodamientos no suelen conformarse debido a su alta dureza y resistencia. El conformado en frío es limitado y, por lo general, se evita el conformado en caliente debido al riesgo de alterar la microestructura deseada.

Tratamiento térmico

Proceso de tratamiento	Rango de temperatura (°C/°F)	Tiempo típico de remojo	Método de enfriamiento	Propósito principal / Resultado esperado
Endurecimiento	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	1 - 2 horas	Aceite o aire	Conseguir una alta dureza
Templado	150 - 200 °C / 302 - 392 °F	1 - 2 horas	Aire	Reduce la fragilidad, mejora la tenacidad.

El tratamiento térmico es crucial para lograr la dureza y la microestructura deseadas en los aceros para rodamientos. El proceso de temple aumenta significativamente la dureza, mientras que el revenido reduce la fragilidad, mejorando así la tenacidad para un mejor rendimiento bajo carga.

Aplicaciones típicas y usos finales

Industria/Sector	Ejemplo de aplicación específica	Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación	Motivo de la selección (breve)
Automotor	Cojinetes de rueda	Alta dureza, resistencia a la fatiga.	Esencial para la durabilidad
Aeroespacial	Componentes del motor	Alta resistencia, estabilidad dimensional.	Crítico para la seguridad
Industrial	Cajas de cambios	Resistencia al desgaste, capacidad de carga.	Garantiza una larga vida útil.
Robótica	Cojinetes del actuador	Alta precisión, baja fricción.	Necesario para el rendimiento

Otras aplicaciones incluyen:
- Ferrocarril : Cojinetes de ejes para trenes.
- Marino : Cojinetes del eje de la hélice.
- Construcción : Rodamientos para maquinaria pesada.

El acero para cojinetes se elige por su capacidad de soportar cargas elevadas y proporcionar una larga vida útil, lo que lo hace indispensable en aplicaciones críticas.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	Acero para cojinetes (AISI 52100)	Grado alternativo 1 (AISI 440C)	Grado alternativo 2 (AISI 316)	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Alta dureza	Buena resistencia a la corrosión	Excelente resistencia a la corrosión	Compensación entre dureza y resistencia a la corrosión
Aspecto clave de la corrosión	Justo	Excelente	Excelente	El acero de los cojinetes es menos resistente a la corrosión.
Soldabilidad	Pobre	Justo	Bien	El acero para cojinetes requiere consideraciones especiales para la soldadura.
Maquinabilidad	Moderado	Bien	Justo	El acero para cojinetes es más difícil de mecanizar
Formabilidad	Pobre	Justo	Bien	Los grados alternativos pueden ofrecer mejores capacidades de conformado
Costo relativo aproximado	Moderado	Más alto	Más alto	El costo varía significativamente según los elementos de aleación.
Disponibilidad típica	Común	Común	Muy común	La disponibilidad puede afectar los plazos del proyecto

Al seleccionar el acero para rodamientos, considere factores como las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión y la rentabilidad. Si bien el acero para rodamientos destaca por su dureza y resistencia al desgaste, otros grados pueden ser más adecuados para aplicaciones que requieren alta resistencia a la corrosión o mejor soldabilidad.

En conclusión, el acero para rodamientos es un material vital en aplicaciones de ingeniería donde el alto rendimiento y la fiabilidad son primordiales. Comprender sus propiedades, ventajas y limitaciones es esencial para tomar decisiones informadas sobre la selección de materiales en diversas industrias.