5160 vs 9260 vs 6150: elección de barra redonda de acero para resortes por sección y servicio

En casi todas las consultas sobre suspensión y resortes surgen tres aceros para resortes: AISI 5160, AISI 9260 y AISI 6150. Todos son aceros con contenido de carbono medio a alto que se templan y revenen hasta alcanzar una dureza de trabajo, y en un dibujo a menudo se los trata como intercambiables. No lo son. Las diferencias se encuentran en tres elementos de aleación (silicio, cromo y vanadio) y esas diferencias deciden qué tan gruesa puede endurecerse una sección, cuánto resiste el resorte el pandeo a la temperatura y cuánto se paga por tonelada.

Este artículo compara los tres grados en cuanto a química, templabilidad, respuesta de templado, condiciones de entrega y costo, y da una respuesta directa sobre qué grado se adapta a ballestas, resortes helicoidales, barras de torsión y ejes. Todos los rangos de composición que se citan a continuación provienen de ASTM A29/A29M, EN 10089 y JIS G4801; Las bandas de propiedades son los valores publicados de condiciones de entrega y de templado y revenido de EN 10089. Aquí no se estima nada.

Lo que los tres grados tienen en común

Antes que las diferencias, el terreno compartido importa, porque explica por qué estos grados están agrupados.

• Carbono en la banda de 0,46 a 0,64 % : lo suficientemente alto como para alcanzar aproximadamente 58 a 60 HRC una vez apagado, que es lo que le da a un resorte su límite elástico, pero aún lo suficientemente bajo como para volver a templarlo a una condición dura en lugar de frágil.

• La barra recocida suministrada, recocida o templada y revenida ( +A , normalmente ≤ 248 HBW en grados EN 10089) es lo que compra si aún tiene que enrollar, formar o mecanizar. La barra templada y revenida ( +QT ) es lo que se compra cuando el formado ya está hecho.

• Primero se forma, luego se endurece ; con la excepción del material enrollado en caliente, a los tres se les da forma en estado blando y solo luego se austenizan y se enfrían. Esto es lo opuesto a un grado de eje completamente templado como 4140 o 34CrNiMo6 , donde la barra generalmente se compra ya endurecida.

• La vida a fatiga es una propiedad de la superficie : el ciclo de endurecimiento final establece la resistencia aparente, pero la condición de la superficie decide cuándo falla la pieza. El control del granallado y la descarburación son tan importantes como el nombre del grado en el certificado.

Composición química comparada

Los tres grados se encuentran en la misma banda de carbono y se separan en silicio, cromo y vanadio.

Los mismos tres grados aparecen en la norma europea de acero para resortes, EN 10089, con nombres diferentes. Los rangos no son idénticos a los de ASTM, y eso es importante cuando el dibujo de un cliente invoca la designación europea.

Lo que realmente hace cada elemento

Leer las dos tablas una al lado de la otra responde a la mayoría de las preguntas de selección, porque cada elemento tiene una función.

• Silicio, 1,80-2,20 % en 9260 : esta es la razón por la que existe 9260. El silicio eleva la temperatura a la que se ablanda la estructura templada, por lo que un resorte 9260 mantiene su carga a 200-250 °C, mientras que un resorte de acero al cromo de la misma dureza ya ha comenzado a relajarse. También eleva el límite elástico, razón por la cual los grados de resortes inactivos con silicio se pueden acercar más a su límite elástico sin sufrir un fraguado permanente.

• Cromo, 0,70–0,90 % en 5160 y 0,80–1,10 % en 6150 ; el cromo es el elemento de templabilidad. Empuja la curva de enfriamiento continuo hacia la derecha para que las secciones más pesadas se endurezcan en aceite en lugar de salir con un núcleo blando de ferrita y perla. También agrega un poco de resistencia al desgaste, lo cual es importante en una ballesta que ve arena entre las hojas.

• Vanadio, 0,15 % mínimo en 6150 : el vanadio forma carburos finos que fijan los límites del grano de austenita. En la práctica, esto significa que una barra de 6150 tolera una ventana de horno ligeramente más ancha que un grado de cromo simple antes de que el grano se vuelva más grueso, y un grano más grueso implica una pérdida directa de vida a fatiga. Esta es la principal razón técnica por la que el 6150 cuesta más que el 5160 con casi la misma resistencia.

• Manganeso, alrededor de 0,7 a 1,0 % , presente en los tres, en parte como desoxidante y en parte como una adición suave de templabilidad. También retiene el azufre, por lo que se permite que el azufre se asiente a mayor altura (0,040 máx.) en los grados ASTM que en los grados EN (0,025 máx.).

Templabilidad: el tamaño de la sección decide el grado

El error de selección más común es elegir un grado según la resistencia a la tracción y luego descubrir que la mitad de la barra no se endureció. Un resorte sólo funciona si toda la sección se transforma en martensita al enfriarse; un núcleo blando significa que la capa superficial soporta la carga sola y la pieza falla por fatiga desde adentro hacia afuera. Debido a que el 9260 no tiene adición de cromo, tiene la templabilidad más baja de los tres. Tanto el 5160 como el 6150 contienen aproximadamente entre un 0,7 % y un 1,2 % de cromo y se endurecen considerablemente más profundamente en aceite.

Esto da una regla práctica para la barra redonda: las secciones delgadas y el alambre pueden usar 9260; Las secciones pesadas deben pasar a un grado de cromo. Como guía de trabajo, el 9260 se siente cómodo en aceite hasta aproximadamente 30 mm de diámetro, mientras que el 5160 y el 6150 llevarán secciones comparables considerablemente más gruesas antes de que el núcleo comience a ablandarse. Si su pieza es una barra de torsión de 60 mm o una hoja gruesa, el cromo no es una preferencia, es un requisito. Cuando la sección es grande y el trabajo es severo, el grado de manganeso-cromo 55CrMnA ( SUP9 / 55Cr3 ) es el siguiente paso y se suministra específicamente para resortes de hojas gruesas y resortes helicoidales pesados.

Propiedades mecánicas después del enfriamiento y revenido

Los aceros para resortes nunca se especifican en estado laminado. Los números que importan son la dureza del recocido, que determina la facilidad con la que se puede formar la pieza, y la banda de resistencia después del enfriamiento y revenido, que se establece según la temperatura de revenido que usted elija.

Vale la pena leer dos detalles de esa tabla. En primer lugar, las bandas +QT son requisitos mínimos vinculados al tamaño de la sección y a la temperatura de templado: una barra de 6150 templada a 430 °C y otra templada a 510 °C aprobarán el mismo certificado pero se comportarán de manera diferente en un equipo de fatiga. En segundo lugar, observe dónde se ubica la banda del 5160: 1450–1750 MPa a una prueba mínima de 1300 MPa es el más alto de los tres, que es exactamente por qué el 5160 con cromo ha sido el predeterminado para ballestas pesadas durante décadas.

Calificaciones equivalentes entre estándares

Las referencias cruzadas son un punto de partida para una cotización, no una aprobación de sustitución. Las bandas de carbono y cromo no se alinean exactamente y las bandas de templabilidad (H y HH) se especifican por separado.

Debido a que los equivalentes son cercanos pero no idénticos, se debe citar un dibujo que diga 'SUP10 o equivalente' frente a 6150 o 51CrV4; los tres comparten el diseño de cromo-vanadio y generalmente se aceptará un certificado de 50CrVA. La misma lógica se aplica a SUP9A, que se corresponde con 5160. Tanto las barras redondas AISI 5160 / SUP9A / 60Cr3 como SUP10 / 6150 / 51CrV4 se almacenan con las designaciones EN y JIS correspondientes en el certificado.

Qué grado para qué parte

Hacer coincidir el grado con el componente es principalmente una cuestión de tamaño de la sección, temperatura y cómo se carga el resorte.

• Ballestas pesadas, ballestas parabólicas, suspensión para camiones y remolques : 5160 para la caja estándar, 55CrMnA/SUP9 para láminas muy gruesas. El cromo proporciona la profundidad de endurecimiento que necesita una hoja gruesa y la calidad es tolerante en la forja.

• Resortes que funcionan calientes o donde la pérdida de carga es el modo de falla : 9260. Suspensión ferroviaria, resortes de embrague y resortes de freno que se asientan a 200 °C y no deben combarse. El silicio es el elemento que compra esa estabilidad de temperatura.

• Resortes helicoidales, barras estabilizadoras y barras de torsión en secciones medianas a pesadas : 5160 o 6150. Si la sección es gruesa y el presupuesto de fatiga es ajustado, el vanadio en 6150 se amortiza mediante un grano más fino y una ventana de tratamiento térmico más amplia.

• Resortes de válvula, resortes de pistón y resortes de válvula de seguridad por debajo de 300 °C — 6150 / 51CrV4 / SUP10. Estas son las aplicaciones clásicas de cromo-vanadio y el grado está estandarizado para ellas.

• Los ejes que también son resortes (barras de torsión y barras estabilizadoras) son esencialmente ejes cargados en torsión, por lo que se aplican las mismas reglas. Un eje que debe soportar una carga de flexión a través de toda la sección sin un resorte generalmente funciona mejor con un acero de aleación templado y revenido como el 4140.

Práctica de tratamiento térmico

Los tres grados se moldean blandos y luego se endurecen. El temple es el paso que decide si la parte sobrevive, y el temperamento es el paso que decide si dura.

Observe la región de 300 °C. Todos estos grados son susceptibles a la fragilización del temple si se mantienen en la banda de aproximadamente 250 a 400 °C, por lo que se elige una temperatura de templado por encima o por debajo de ella en lugar de dentro de ella. De todos modos, casi nunca se templa un resorte en esa ventana, pero un ciclo de alivio de tensión después de soldarlo o enderezarlo puede aterrizar allí por accidente.

La descarburación es el asesino silencioso. A 830-880 °C en un horno atmosférico, un acero para resortes perderá carbono en la superficie en cuestión de minutos si la atmósfera no se controla. Una capa descarburada es blanda y un resorte falla en la superficie. Especifique un horno de atmósfera controlada o de vacío, o mecanice/pula la capa descarburada antes del servicio y especifique la profundidad de descarburación permitida en la orden de compra.

Granallado después del templado, no antes. El granallado comprime la superficie y, a menudo, es la mayor ganancia de vida útil disponible en un resorte terminado, pero tiene que ser la última operación mecánica antes del recubrimiento, y la intensidad debe especificarse (Almen) en lugar de dejarse en manos del taller.

Qué poner en la orden de compra

El nombre de un grado por sí solo deja muchas cosas abiertas, y ahí es donde se originan la mayoría de las disputas. Un pedido de acero para resortes viable especifica, como mínimo:

• Grado y estándar , por ejemplo 'AISI 5160 a ASTM A29' en lugar de '5160', por lo que los límites de composición y las tolerancias son inequívocos.

• Banda de templabilidad : simple (H) o restringida (HH). Si la pieza es gruesa y el enfriamiento es marginal, restringir la banda es más barato que eliminar el calor.

• Condición de entrega : +A recocido, +AC esferoidizado o +QT con el rango de temperatura de templado y dureza requeridos.

• Límite de descarburación y condición de la superficie : negra, pelada, rectificada o torneada, con la profundidad de descarburación permitida indicada.

• Documentos de inspección : EN 10204 3.1 como mínimo; 3.2 cuando un tercero tenga que presenciar las pruebas mecánicas. La rectitud, la condición final y la tolerancia de longitud también pertenecen aquí porque deciden cuánto material se desecha en la celda de bobinado.

Los tres grados se envían con un certificado EN 10204 3.1 específico para el calor que proporciona resultados químicos y mecánicos reales, no los típicos del catálogo. Cuando una norma permite un rango, el certificado le indica en qué rango de ese rango se encuentra realmente su calor.

Preguntas frecuentes

¿5160 es lo mismo que SUP9A?

Cercanos, pero no intercambiables en papel. 5160 según ASTM A29 y SUP9A según JIS G4801 comparten el mismo diseño de cromo-manganeso con carbono en la banda de 0,56 a 0,64 %, y EN 10089 60Cr3 es el equivalente europeo. Los límites individuales difieren en el tercer decimal (por ejemplo, el grado JIS permite entre 0,70 y 1,00 % de cromo, mientras que ASTM permite entre 0,70 y 0,90 %) y el límite de azufre es más estricto en los grados JIS y EN. Para la mayoría de los trabajos con resortes de láminas y espirales, la sustitución es rutinaria, pero cuando la pieza es crítica para la seguridad, compre según el estándar indicado en el dibujo y confirme el análisis térmico en el certificado.

¿Por qué el 9260 resiste mejor la flacidez que el 5160?

Por el silicio. Con un contenido de silicio de 1,80 a 2,20 %, los carburos templados del 9260 son más resistentes al engrosamiento, por lo que la estructura mantiene su dureza a una temperatura más alta. Un resorte que opera a 200-250 °C perderá carga más lentamente en 9260 que en un grado de cromo de la misma dureza inicial. El oficio es la templabilidad: la ausencia de cromo significa que el 9260 no puede endurecer completamente las secciones gruesas que el 5160 maneja cómodamente. Es por eso que las ballestas pesadas suelen seguir la ruta del cromo y los resortes de sección moderada que funcionan en caliente a menudo no.

¿Debo elegir 5160 o 6150 para una barra de torsión de 60 mm?

Ambos se endurecerán en aceite a ese diámetro, por lo que la elección se reduce al presupuesto de fatiga y al control del proceso. 6150 lleva más cromo y una adición de vanadio, lo que le da un grano más fino y una tolerancia más amplia a la variación del horno; 5160 es más barato para una resistencia equivalente. Si la barra tiene un factor de seguridad generoso y su tratamiento térmico está bien controlado, 5160 es la respuesta económica. Si la barra es crítica para la fatiga y el enfriamiento es marginal, 6150 es la especificación más segura y el vanadio es lo que está pagando.

¿Se pueden soldar estos grados?

Se pueden soldar, pero una soldadura es una característica dura, quebradiza y sensible a las grietas en una pieza que está diseñada para flexionarse. En la práctica, ninguno de los tres está soldado en servicio de resorte. Si es necesario unir un resorte, precaliéntelo en el rango de 250 a 300 °C, use un relleno austenítico o equivalente y atempere inmediatamente después de soldar para aliviar la martensita; e incluso entonces, espere que la soldadura sea lo primero que falle. Si la junta soporta la carga del resorte, rediseñe la pieza.

¿Qué condiciones de entrega debo pedir?

Ordene recocido (+A) o esferoidizado (+AC) si todavía tiene que enrollar, enrollar, cortar roscas o mecanizar la pieza; el recocido esferoidizado es la mejor opción cuando hay un conformado en frío significativo, porque los carburos esferoidales son mucho más suaves a la hora de deformarse que la perlita laminar. Solicite templado y revenido (+QT) solo cuando la geometría ya esté terminada y la única operación restante sea un esmerilado ligero o un granallado. Comprar una barra +QT y luego recalentarla para formar el resorte desperdicia tanto la aleación como el tratamiento térmico que pagó.

Lectura relacionada: Barra redonda de acero para resortes AISI 9260 / 60Si2MnA / SUP7 y nuestra comparación de 34CrNiMo6 frente a 4140 para ejes pesados.

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