Acero 4140: propiedades, dureza y tratamiento térmico
¿Qué es el acero 4140?
El 4140 es un acero aleado de cromo-molibdeno de medio carbono (AISI/SAE 4140) y uno de los aceros de ingeniería más utilizados. Aproximadamente 0,40 % de carbono, 1 % de cromo y 0,2 % de molibdeno le confieren un sólido equilibrio de resistencia, tenacidad y templabilidad, por lo que un solo grado cubre una amplia gama de niveles de resistencia mediante tratamiento térmico.
A nivel internacional, el mismo acero se comercializa como 42CrMo4 (1.7225) según EN/DIN, SCM440 según JIS, 42CrMo según GB y G41400 según UNS. Los límites de composición química son cercanos pero no idénticos, y las diferencias se detallan en la tabla de grados equivalentes a continuación.
Un punto es importante para la selección del material: el 4140 es un acero estructural aleado, no un acero para herramientas. Su ámbito son ejes, engranajes, árboles, pernos, acoplamientos y piezas de maquinaria que soportan carga y resisten la fatiga. No está diseñado para herramientas de corte, punzonado o conformado, donde predominan la resistencia al desgaste y una alta dureza de trabajo. Conocer dónde está esa línea es la diferencia entre una pieza que dura y una que falla prematuramente.
Composición química
| Elemento | AISI 4140 (% en peso) | 42CrMo4 / EN (% en peso) | GB 42CrMo (% en peso) |
| Carbon (C) | 0.38–0.43 | 0.38–0.45 | 0.38–0.45 |
| Manganeso (Mn) | 0.75–1.00 | 0.60–0.90 | 0.50–0.80 |
| Silicio (Si) | 0.15–0.35 | 0,40 máximo | 0.17–0.37 |
| Cromo (Cr) | 0.80–1.10 | 0.90–1.20 | 0.90–1.20 |
| Molibdeno (Mo) | 0.15–0.25 | 0.15–0.30 | 0.15–0.25 |
| Fósforo (P) | 0,035 máximo | 0,035 máximo | 0,035 máximo |
| Azufre (S) | 0,040 máximo | 0,035 máximo | 0,035 máximo |
El cromo y el molibdeno son lo que diferencia al 4140 de un acero al carbono simple como el 1045. El cromo eleva la templabilidad y la resistencia al desgaste; el molibdeno mejora aún más la templabilidad, mantiene la resistencia a temperatura moderada y limita la fragilidad reversible por revenido. Juntos permiten que las secciones más gruesas se templen de forma más uniforme que con el acero al carbono.
Respuesta al revenido y propiedades mecánicas
El 4140 rara vez se utiliza en una sola condición fija. La misma barra puede ser un eje tenaz cerca de 30 HRC o una superficie dura de desgaste por encima de 50 HRC, y solo la temperatura de revenido decide cuál. La tabla siguiente es la respuesta al revenido estándar para una barra de 25 mm templada en aceite desde 845–870 °C.
| Revenido | resistencia a la tracción | Límite elástico | Dureza HB (~HRC) |
| 205 °C | 1965 MPa | 1740 MPa | 578 (55) |
| 260 °C | 1860 MPa | 1650 MPa | 534 (53) |
| 315 °C | 1720 MPa | 1570 MPa | 495 (50) |
| 370 °C | 1590 MPa | 1460 MPa | 461 (47) |
| 425 °C | 1450 MPa | 1340 MPa | 429 (45) |
| 480 °C | 1300 MPa | 1210 MPa | 388 (41) |
| 540 °C | 1150 MPa | 1050 MPa | 341 (37) |
| 595 °C | 1020 MPa | 910 MPa | 311 (34) |
| 650 °C | 900 MPa | 790 MPa | 277 (30) |
| 705 °C | 810 MPa | 690 MPa | 235 (22) |
Los valores son típicos, no mínimos garantizados. La dureza se indica en HB en el material de origen; la cifra en HRC entre paréntesis es una conversión. Las propiedades certificadas siempre deben vincularse a un tamaño de sección definido y a una ubicación de ensayo declarada.
Dureza según el tamaño de sección
La dureza superficial tras un temple en aceite disminuye a medida que la barra es más grande, porque el 4140 tiene solo una templabilidad moderada. En secciones delgadas el temple produce casi martensita completa; más allá de aproximadamente 75–100 mm el centro nunca la alcanza.
| Diámetro de barra | HRC | HB (aprox.) | Condición |
| 13 mm (0.5 in) | 57 | 596 | Recién templado |
| 25 mm (1 in) | 55 | 560 | Recién templado |
| 50 mm (2 in) | 49 | 469 | Recién templado |
| 25 mm (1 in) | — | 335 | Revenido 540 °C |
| 50 mm (2 in) | — | 202 | Revenido 540 °C |
Las dos últimas filas son el punto clave. A la misma temperatura de revenido, una barra de 25 mm resulta en 335 HB y una barra de 50 mm en 202 HB. Cuando una pieza debe ser dura en toda la sección, esta es la cifra que decide el grado o el proceso: un revenido más prolongado no cierra la diferencia.
Dureza según el estado:
- Recocido: 197 HB. Blanda, mecanizable, y el estado en que normalmente se suministra el material en barra.
- Normalizado: 241–302 HB.
- Templado en aceite y revenido: 229–341 HB, determinado por la temperatura de revenido y la sección.
- Suministro preendurecido: en la parte alta de la banda de revenido, aproximadamente 300 HB (unos 30 HRC).
- Superficie por inducción, llama o nitrurada: la capa es mucho más dura que el núcleo; el núcleo sigue determinando la capacidad de carga.
grados equivalentes
El mismo acero circula bajo nombres diferentes, y los límites de composición química no son idénticos. El manganeso es el rango que más varía: 0.75–1.00% en AISI 4140, 0.60–0.85% en SCM440, 0.50–0.80% en GB 42CrMo.
| Estándar | Grado | Composición química (% en peso) |
| ASTM A29/A29M-03 | 4140 (G41400) | C 0.38–0.43 · Mn 0.75–1.00 · Si 0.15–0.35 · Cr 0.80–1.10 · Mo 0.15–0.25 · P 0.035 · S 0.040 |
| SAE J404 JUN00 | 4140 (G41400) | C 0.38–0.43 · Mn 0.75–1.00 · Si 0.15–0.35 · Cr 0.80–1.10 · Mo 0.15–0.25 · P 0.030 · S 0.040 |
| JIS G4053:2003 | SCM 440 | C 0.38–0.43 · Mn 0.60–0.85 · Si 0.15–0.35 · Cr 0.90–1.20 · Mo 0.15–0.30 · P 0.030 · S 0.030 |
| EN 10083-1:1991 | 42CrMo4 (1.7225) | C 0.38–0.45 · Mn 0.60–0.90 · Si 0.40 máx. · Cr 0.90–1.20 · Mo 0.15–0.30 · P 0.035 · S 0.035 |
| EN 10083-1:1991 | 42CrMoS4 (1.7227) | C 0.38–0.45 · Mn 0.60–0.90 · Si 0.40 máx. · Cr 0.90–1.20 · Mo 0.15–0.30 · S 0.020–0.040 |
| GB (China) | 42CrMo | C 0.38–0.45 · Mn 0.50–0.80 · Si 0.17–0.37 · Cr 0.90–1.20 · Mo 0.15–0.25 |
Estos son grados equivalentes más cercanos, no piezas intercambiables. Los rangos de manganeso y azufre difieren, y también la banda de templabilidad que permite cada norma. Antes de sustituir uno por otro, verifique las tolerancias de composición química en la norma de compra y la dureza que la pieza debe alcanzar en su tamaño de sección: un grado que cumple la composición química aún puede no alcanzar la dureza.
el tratamiento térmico
Normalización: calentar a 845–925 °C y enfriar al aire. Esto refina el grano e iguala la estructura antes del temple o del mecanizado.
Recocido: calentar a 830–870 °C, mantener, luego enfriar en horno a unos 15 °C/h hasta 480 °C y enfriar al aire. El resultado es una estructura blanda y mecanizable cercana a 197 HB.
Temple: austenizar a 830–870 °C y templar en aceite. El aceite es lo estándar. El temple en agua aumenta el riesgo de fisuración en formas complejas y rara vez se usa; donde se usa, la temperatura de austenización baja a 815–845 °C. Mantener 1 hora como mínimo, o 15–20 minutos por cada 25 mm de sección.
Revenido: se usan dos ventanas. 175–230 °C para máxima resistencia, o 385–705 °C para todo lo demás, hasta un límite elástico inferior a 1380 MPa. La temperatura de revenido, no el temple, determina las propiedades finales.
Conviene respetar dos efectos de fragilización:
- Fragilización de martensita revenida — el 4140 normalmente no se reviene entre 230 y 370 °C, la banda de fragilidad azul, porque la tenacidad al impacto cae bruscamente dentro de ella.
- Fragilización reversible por revenido — puede desarrollarse en secciones gruesas que se enfrían lentamente a través de 375–575 °C después del revenido a alta temperatura, y está relacionado con el fósforo y otras impurezas similares. El molibdeno en el 4140 reduce la tendencia; un enfriamiento más rápido desde la temperatura de revenido la limita aún más.
Soldadura del 4140
El 4140 no es un acero de soldadura precalificado. Se debe redactar y calificar un procedimiento de soldadura para la junta, y los cuatro controles siguientes no son opcionales.
- Precalentar por encima de la temperatura de inicio de la martensita: 290 °C (550 °F). Por encima de ese nivel, la zona afectada por el calor se transforma en bainita en lugar de martensita sin revenir, que es lo que agrieta.
- Mantener el precalentamiento como temperatura entre pasadas. Si la pieza desciende por debajo de ella, detenerse y recalentar.
- Un proceso de bajo hidrógeno y consumibles de bajo hidrógeno son obligatorios. El hidrógeno es la otra mitad del agrietamiento en frío.
- Postcalentar no más de 28 °C (50 °F) por debajo de la temperatura de revenido que recibió la pieza. Enfriar una ZAC sin revenir hasta temperatura ambiente es cómo una reparación se convierte en una grieta.
Mecanizado del 4140
En estado recocido a 187–229 HB, el 4140 se mecaniza a aproximadamente 65% de la velocidad del AISI 1212 tomado como 100%. Es una calificación normal de acero aleado, no una difícil — la condición de dureza es lo que cambia la cifra.
- Recocido (187–229 HB): la condición más rápida, y en la que conviene mecanizar cuando la pieza se somete a tratamiento térmico después.
- Templado y revenido (229–341 HB): velocidades más bajas, montaje más rígido, mayor desgaste de herramienta. Mecanizar en la condición preendurecida evita la distorsión y la cascarilla de un tratamiento térmico posterior.
- Piezas típicas cortadas de 4140: bielas, cigüeñales, manguetas de dirección, ejes, engranajes, espárragos, pernos de alta resistencia, portaherramientas y vástagos.
¿4140 o un acero para herramientas? Cómo elegir el grado según la aplicación
El 4140 y los aceros para herramientas se solapan en algunos rangos de dureza, por lo que es tentador sustituir uno por otro solo por precio. La elección correcta se deriva de lo que la pieza debe soportar.
El 4140 es la mejor respuesta cuando la pieza soporta carga y fatiga en lugar de corte o abrasión: ejes, engranajes, mandriles, portaherramientas, placas de apoyo y piezas estructurales de maquinaria. Es más tenaz y mucho más económico que el acero para herramientas, se suelda con más facilidad y se ofrece en una gama más amplia de tamaños y formas. Cuando no se requieren vida al desgaste extrema ni 58+ HRC, pagar por acero para herramientas no aporta nada.
El acero para herramientas es la respuesta correcta cuando los modos de falla son desgaste, retención del filo o calor. El 4140 no puede mantener un filo de corte ni resistir el desgaste abrasivo de un troquel tan bien como un grado de alto contenido de carburos, y pierde resistencia rápidamente por encima de unos 400 °C. Vale la pena trazar claramente tres líneas:
- Herramientas de corte y punzonado necesitan la dureza (60+ HRC) y el volumen de carburos que al 4140 le faltan. D2 o A2 duran mucho más en un troquel de desgaste.
- Herramental para trabajo en caliente por encima de ~400 °C necesita la dureza en caliente del H13, que el 4140 no tiene.
- Cualquier pieza que deba mantener 58+ HRC en una sección real está fuera del alcance del 4140, porque no puede alcanzarla de forma fiable en el tamaño de sección involucrado.
| Propiedad | 4140 | D2 | H13 | A2 |
| Dureza máxima (práctica) | ~50–55 HRC | 58–62 HRC | 44–52 HRC | 57–62 HRC |
| Resistencia al desgaste | Bajo | Excelente | Moderado | Bien |
| Dureza en caliente | Baja (menos de 400 °C) | Bajo | Excelente (hasta ~600 °C) | Bajo |
| Tenacidad | Bien | Moderado | Bien | Moderado |
| Costo relativo | Bajo | Alto | Alto | Medium–high |
| volumen de carburo | Ninguno | Alto (carburos de Cr) | Bajo (carburos de aleación) | Moderado (carburos de Cr) |
Normas y referencias
El 4140 y sus equivalentes están cubiertos por ASTM A29/A29M y SAE J404 (composición de barra), ASTM A322 (tochos y barras), EN 10083-1 (42CrMo4), JIS G4053 (SCM440) y GB/T 3077 (42CrMo). Las propiedades mecánicas certificadas siempre deben vincularse a una norma, un tamaño de sección y una ubicación de ensayo declarados.
Datos de esta página:
- Propiedades mecánicas y práctica de tratamiento térmico — ASM Handbook Vol. 4, Heat Treating, sección 4140.
- Dureza por tamaño de sección, bandas recocido / normalizado / revenido, calificación de mecanizabilidad — Cutting Data for Turning of Steel, capítulo AISI 4140.
- Grados equivalentes y química — Handbook of Comparative World Steel Standards (ASTM DS 67B), tabla de aceros Cr-Mo.
- Práctica de soldadura — ASM Handbook Vol. 6, Welding, Brazing and Soldering.
- Ficha de referencia del AISI 4140, PDF de 2 páginas, 414 KB. El PDF está en inglés. Las mismas tablas, imprimibles.
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