Selección de acero para muelles: 65Mn, grados al silicio y al cromo-vanadio

Lo que debe hacer un acero para muelles

Un muelle almacena energía elásticamente, millones de veces. Las propiedades determinantes son un alto límite elástico (de fluencia) en relación con la resistencia a la tracción, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la deformación permanente (pérdida de flecha permanente) — todas fuertemente afectadas por la calidad superficial y la descarburación, no solo por la composición química.

La escalera de grados

Acero	Familia	Funciones típicas
65Mn	Carbono-manganeso	Muelles planos y helicoidales ligeros de bajo coste, arandelas, clips
Clase 55Si7 / SUP7	Silicio-manganeso	Ballestas, muelles helicoidales más pesados
Clase SUP9	Manganeso-cromo	Muelles helicoidales y de ballesta que necesitan mejor templabilidad
51CrV4 / 6150	Cromo-vanadio	Muelles helicoidales, de torsión y de válvulas muy solicitados

Por qué ayudan el silicio y el vanadio

El silicio eleva el límite elástico y, lo que es importante, la resistencia al revenido — un muelle al silicio mantiene su carga a una temperatura de revenido dada mejor que uno de carbono simple, por lo que los aceros Si-Mn dominan las ballestas. El cromo añade templabilidad para secciones más gruesas; el vanadio afina el grano y añade resistencia a la fatiga, lo que hace al 51CrV4/6150 adecuado para muelles de válvulas de motor y servicio premium de suspensión.

El 65Mn es templable solo en secciones finas y es el primero en perder carga con el calor; sigue siendo imbatible en coste para clips, muelles planos y piezas agrícolas.

Dureza y temperatura

Las ballestas y los muelles helicoidales templados y revenidos trabajan típicamente en la banda de ~42–50 HRC — más blando sacrifica capacidad de carga, más duro sacrifica vida a fatiga e invita a la rotura frágil. Los límites de temperatura de servicio siguen a la aleación, aproximadamente: los grados simples al carbono/manganeso están generalmente limitados a alrededor de 100–120 °C, los grados al silicio a aproximadamente 200 °C, y los de cromo-vanadio a unos 200–250 °C; más allá, gobierna la relajación (pérdida de carga a temperatura) y toman el relevo las aleaciones especiales.

La fatiga es un juego de superficie

El granallado (shot peening), los límites controlados de descarburación y las transiciones suaves importan habitualmente más que una subida de grado: la mayoría de las grietas de fatiga en muelles nacen en defectos superficiales. Especifique el estado superficial y el granallado junto al acero.

Las formas de suministro cambian el panorama de grados

Los muelles llegan a la fábrica como chapa, barra o — muy comúnmente — alambre, y el alambre tiene sus propias designaciones de acero superpuestas a las mismas familias químicas. Los muelles pequeños de precisión usan alambre de carbono estirado duro o patentado (el alambre de cuerda de piano — music wire — es el extremo de alta calidad); los alambres Si-Mn y Cr-V/Si-Cr templados en aceite sirven para muelles de válvulas y embragues, donde el alambre se entrega ya templado y revenido, de modo que el conformador solo forma y alivia tensiones. Los muelles grandes se enrollan en caliente a partir de barra, y luego se templan y revienen como espirales terminadas. Comparar «aceros para muelles» entre estas formas sin anotar la ruta induce a error: el rendimiento de un muelle de válvula debe tanto a la limpieza del alambre y a la inspección superficial (ensayo por corrientes inducidas para costuras) como a su química de cromo-vanadio.

Asentamiento, preasentamiento y relajación

Los muelles terminados a menudo se preasientan (scragging) — se comprimen una vez más allá de la fluencia, deliberadamente — para estabilizar la longitud libre y elevar la tensión utilizable. La pérdida de carga con el tiempo a temperatura, llamada relajación, es la especificación silenciosa: se mide y se limita para aplicaciones de motor y alta temperatura, y es ella, más que la resistencia estática, lo que normalmente retira del servicio a un muelle por lo demás intacto.