El acero de aleación 4140 es un acero de aleación Cr-Mo versátil que ofrece buena resistencia, tenacidad y templabilidad, lo que lo hace apto para condiciones de servicio moderadamente severas tras un tratamiento térmico adecuado. Se clasifica con cromo y molibdeno como sus principales elementos de aleación.
1. Aplicaciones
- Componentes de maquinaria: Ejes (uso principal), ejes, engranajes, husillos, acoplamientos, cigüeñales, bielas, tapas de válvulas, cuerpos de mandril, pinzas
- Herramientas y accesorios: plantillas, accesorios, portaherramientas, collarines de perforación, pernos, espárragos, piezas de transportador
- Automotriz y aeroespacial: ejes, cigüeñales, muñones de dirección, piezas estructurales de alta resistencia
- Industria del petróleo y el gas: Herramientas de perforación de pozos, juntas de herramientas, ejes de bombas
- Piezas endurecidas superficialmente: componentes que requieren una mayor durabilidad de la superficie
2. Composición del acero 41401
| Carbono (C) | Manganeso (Mn) | Silicio (Si) | Cromo (Cr) | Molibdeno (Mo) | Fósforo (P) | Azufre (S) |
| 0,38 – 0,43 | 0,75 – 1,00 | 0,15 – 0,35 | 0,80 – 1,10 | 0,15 – 0,25 | ≤ 0,035 | ≤ 0,040 |
3. 3. Propiedades físicas
Propiedades físicas del acero de aleación 4140 a diferentes temperaturas
| Temperatura (°C) | Temperatura (°F) | Conductividad térmica (W/m·K) | Capacidad calorífica específica media (kJ/kg·K) | Coeficiente medio de expansión lineal (x 10⁻⁶ K⁻¹) | Densidad (kg/m³) | Módulo de Young (x 10⁵ MPa) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 68 | 46.71 | 472.91 | 11.28 | 7848.2 | 211.6 |
| 100 | 212 | 46.06 | 486.33 | 11.67 | 7820.7 | 203.1 |
| 200 | 392 | 45.59 | 499.21 | 12.32 | 7790.2 | 197.5 |
| 300 | 572 | 43.47 | 519.18 | 12.85 | 7757.4 | 193.7 |
| 400 | 752 | 40.7 | 543.45 | 13.37 | 7722.3 | 188.6 |
| 500 | 932 | 37.67 | 570.3 | 13.9 | 7684.7 | 180.2 |
| 600 | 1112 | 34.63 | 599.31 | 14.42 | 7644.5 | 167.0 |
4. Propiedades mecánicas
Las propiedades del acero 4140 pueden modificarse significativamente mediante tratamiento térmico. El temple y el revenido mejoran la resistencia a la fluencia, la resistencia a la tracción y la tenacidad al impacto del metal 4140.
4.1 Metal 4140 templado y revenido
Cuando el acero 4140 se templa en aceite y luego se revene a diversas temperaturas, sus propiedades mecánicas cambian de forma predecible. Esto permite un control preciso de las características finales del acero para cumplir con los requisitos operativos específicos. A continuación, se presenta un resumen de las propiedades mecánicas típicas obtenidas a diferentes temperaturas de revenido:
| Temperatura de revenido | 4140 Resistencia a la tracción (MPa) | 4140 Límite elástico (MPa) | Alargamiento (%) | Reducción de superficie (%) | Dureza (HB) |
| 205 °C (400 °F) | 1965 – 1980 | 1740 – 1860 | 11 | 39 – 42 | 520 – 578 |
| 260 °C (500 °F) | 1860 | 1650 | 11 | 44 | 534 |
| 315 °C (600 °F) | 1720 – 1760 | 1570 – 1620 | 11.5 – 12 | 44 – 46 | 490 – 495 |
| 425 °C (800 °F) | 1450 – 1500 | 1340 – 1365 | 14 – 15 | 48 – 50 | 429 – 440 |
| 540 °C (1000 °F) | 1150 – 1240 | 1050 – 1160 | 17 – 17.5 | 53 – 55 | 341 – 360 |
| 595 °C (1100 °F) | 1020 | 910 | 19 | 58 | 311 |
| 650 °C (1200 °F) | 900 – 1020 | 790 – 860 | 20 – 21 | 60 – 61 | 277 – 290 |
| 705 °C (1300 °F) | 810 – 860 | 690 – 740 | 23 | 63 – 65 | 235 – 250 |
4.2 Influencia del tamaño de la sección (efecto de masa) en las propiedades del material 4140
Es importante considerar el tamaño de la sección, o la masa, del componente de acero 4140 durante la especificación del tratamiento térmico, especialmente cuando se buscan altos niveles de resistencia. El AISI 4140 no es un acero de temple profundo, y bajo las mismas condiciones de tratamiento térmico, las secciones transversales más grandes podrían no alcanzar la misma dureza o resistencia general que las secciones transversales más pequeñas.
La siguiente tabla ilustra el efecto del diámetro de la barra 4140 en las propiedades mecánicas del acero 4140 templado en aceite desde 845 °C (1550 °F) y revenido a 540 °C (1000 °F):
Efecto del diámetro de la barra en las propiedades mecánicas del acero 4140 (templado a 540 °C/1000 °F)
| Diámetro de la barra | Resistencia a la tracción (MPa) | Límite elástico (MPa) | Alargamiento (%) | Reducción de superficie (%) | Dureza superficial (HB) |
| 25 mm (1 pulgada) | 1140 | 985 | 15 | 50 | 335 |
| 50 mm (2 pulg.) | 920 | 750 | 18 | 55 | 202 |
| 75 mm (3 pulgadas) | 860 | 655 | 19 | 55 | 293 |
4.3 Propiedades mecánicas del acero recocido 4140
El recocido también se divide en dos estados: laminado en caliente y estirado en frío.
| Condición | límite elástico | Resistencia a la tracción | Alargamiento |
| Laminado en caliente, recocido | 454 MPa (65 ksi) | 620 MPa (90 ksi) | ~27% |
| Estirado en frío, recocido | 620 MPa (90 ksi) | 703 MPa (102 ksi) | ~18% |
4.4 Soldadura de acero 41402
El acero 4140 presenta una alta templabilidad. Al soldar acero 4140, la zona afectada por el calor (ZAC) y el metal de soldadura pueden enfriarse rápidamente, lo que da lugar a la formación de martensita dura y frágil. Esta martensita es susceptible al agrietamiento por hidrógeno, lo que puede generar altas tensiones internas y reducir la ductilidad, dificultando así el proceso de soldadura. Recomendamos soldar el acero 4140 en estado recocido siempre que sea posible y realizar un tratamiento térmico después de soldar para mitigar los riesgos asociados a su alta templabilidad.
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5. Tratamiento térmico
5.1 Normalización
La normalización es un proceso de tratamiento térmico que se utiliza para refinar el tamaño del grano, lograr una estructura uniforme y mejorar la maquinabilidad para obtener la dureza requerida.
El rango de temperatura para la normalización es de 870 a 900 °C (1600 a 1650 °F). Mantenga esta temperatura durante al menos 1 hora, o de 15 a 20 minutos por cada 25 mm (1 pulgada) de espesor máximo de la sección. Después de mantener la temperatura, deje enfriar el material a temperatura ambiente al aire. La dureza del acero 4140 después de la normalización es de 150 a 200 HB.
5.2 Recocido
El recocido se utiliza principalmente para ablandar el acero y aliviar tensiones, preparándolo así para el procesamiento posterior, como el mecanizado.
La temperatura de recocido oscila entre 830 y 870 °C (1525 a 1600 °F). El tiempo de mantenimiento depende del espesor de la sección o de la carga del horno. Según la experiencia de más de 20 años de Aobo Steel en el sector, el tiempo de mantenimiento es de 1 hora por cada 25 mm (1 pulgada) de espesor de sección, con 0,5 horas adicionales por cada 25 mm (1 pulgada) adicionales de espesor. Tras el mantenimiento, el material se enfría en el horno a una velocidad aproximada de 15 °C/h (30 °F/h) hasta alcanzar los 480 °C (900 °F) y, posteriormente, se enfría al aire. La dureza del acero 4140 tras el recocido es de 150-200 HB.
5.3 Enfriamiento
El endurecimiento consiste en calentar el acero para formar austenita, seguido de un enfriamiento rápido para transformarlo en martensita, aumentando así la dureza y la resistencia del acero 4140.
La temperatura de austenización oscila entre 860 y 885 °C (1550 y 1660 °F). Según nuestra experiencia, recomendamos una temperatura de 855 °C (1575 °F). Evite temperaturas excesivamente altas, ya que esto puede provocar un tamaño de grano de austenita excesivo y fragilidad martensítica. El tiempo de permanencia es de 5 minutos por pulgada de la sección transversal más pequeña, o hasta que la pieza esté completamente sumergida. El medio de temple es aceite.
5.4 Templado
El revenido debe realizarse inmediatamente cuando la temperatura del acero 4140 alcanza 52-65 °C (125-150 °F).
El rango de temperatura de revenido es de 200 a 700 °C (400 a 1300 °F). La temperatura que utilizamos habitualmente es de 175 °C (350 °F). El tiempo de mantenimiento determina la dureza del acero 4140. Nuestro tiempo de mantenimiento estándar es de 2 horas por cada 25 mm (pulgada) de sección transversal. Es importante evitar un revenido insuficiente.
El acero 4140 generalmente no requiere un segundo revenido; sin embargo, varios ciclos de revenido pueden refinar la estructura del grano para mejorar aún más su tenacidad. La temperatura del segundo revenido debe ser 14 °C (25 °F) inferior a la del primer revenido para mantener la dureza original del material 4140.
NO recomendamos el revenido dentro del rango de temperatura de 230–370 °C (450–700 °F), ya que este rango de temperatura puede causar “fragilidad azul”. La microestructura del acero 4140 templado y revenido es típicamente martensita revenida.
5.5 Esferoidización
La esferoidización produce una microestructura de carburos globulares en una matriz ferrítica, lo que mejora la maquinabilidad. La temperatura de esferoidización es de 760-775 °C (1400-1425 °F), con un tiempo de mantenimiento de 4 a 12 horas, seguido de un enfriamiento lento.
La esferoidización también puede lograrse mediante un mantenimiento prolongado justo por debajo de la temperatura Ae1, mediante calentamiento y enfriamiento alternados entre temperaturas ligeramente superiores a Ac1 e inferiores a Ar1, o mediante calentamiento justo por encima de Ac1 seguido de un enfriamiento muy lento en el horno o mantenimiento a una temperatura ligeramente inferior a Ar1. Para una esferoidización completa, las temperaturas de austenización son ligeramente superiores a la temperatura Ac1, o aproximadamente a medio camino entre Ac1 y Ac3.
6. Equivalente
- Europa (EN/DIN): 42CrMo4 o 1.7225
- Japón (JIS): SCM440
- China (GB/T): 42CrMo
- Gran Bretaña (BS): EN19 (o 708M40/709M40)
- ASM Internacional. (1991). Manual ASM, Volumen 4: Tratamiento térmico (pág. 496). ASM Internacional. ↩︎
- Jenney, CL y O'Brien, A. (Eds.). (2000). Manual de soldadura, novena edición, volumen 1: Ciencia y tecnología de la soldadura (pág. 141). Sociedad Americana de Soldadura. ↩︎
Preguntas frecuentes
No, el acero 4140 no está clasificado como acero inoxidable.
El acero 4140 se utiliza para una amplia gama de piezas sometidas a esfuerzos mecánicos, especialmente aquellas que se benefician de tratamientos térmicos o procesos de endurecimiento superficial. Sus usos específicos incluyen:
Componentes de máquinas: diversos componentes de máquinas, maquinaria, recipientes a presión y aplicaciones estructurales.
Ejes y ejes: cigüeñales, ejes de transmisión, árboles de levas, tornillos sin fin, ejes de ferrocarril y ejes de ingeniería.
Piezas de máquinas y herramientas: husillos, engranajes, pernos, cilindros, camisas de cilindros, levas, cigüeñales, chavetas, cañones de rifle y bolas de molino de bolas.
Componentes endurecidos superficialmente: piezas que requieren endurecimiento superficial por llama, endurecimiento superficial por inducción (por ejemplo, ejes, piezas críticas de inyección de combustible) y superficies de dientes duros en engranajes.
Sujetadores: Pernos, tornillos y otros sujetadores.
Piezas de desgaste: Componentes que requieren alta resistencia del núcleo y buena tenacidad, mostrando buena resistencia al desgaste.
Aplicaciones automotrices e industriales: cigüeñales de automóviles, vástagos de pistón para motores, componentes para la industria de pulpa y papel y piezas de hornos que operan a menos de 400 ℃.
El 4140 se clasifica explícitamente como un acero de aleación debido a su composición química específica, que incluye cromo y molibdeno, que se agregan para lograr propiedades deseadas más allá de las de los aceros al carbono simples.
El equivalente chino del acero AISI/SAE 4140 es 42CrMo
Sí, el 4140 es de hecho un acero que se forja comúnmente y se puede encontrar en formas forjadas.
El acero recomendado para cuchillos es acero inoxidable martensítico o acero especial para herramientas con alto contenido de carbono. 4140 NO es adecuado.
Sí, el acero 4140 puede doblarse, y su tratamiento térmico y sus propiedades mecánicas influyen en su capacidad para hacerlo.
Sí, el acero 4140 puede oxidarse. Al ser una aleación ferrosa (a base de hierro), es propenso a oxidarse, especialmente en presencia de humedad y oxígeno, y suele requerir medidas de protección para su uso prolongado en exteriores.
Sí, el 4140 está clasificado como acero de baja aleación.
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