Acero 4340: propiedades, dureza y tratamiento térmico
¿Qué es el acero 4340?
El 4340 es un acero aleado de medio carbono con níquel-cromo-molibdeno (AISI/SAE 4340). Pertenece a los aceros estructurales de ultraalta resistencia y se valora por su profunda templabilidad, alta tenacidad a alta resistencia y un sólido desempeño a la fatiga. Las piezas típicas son trenes de aterrizaje de aeronaves, ejes y árboles de servicio pesado, engranajes, cigüeñales y otros componentes que soportan altas tensiones en secciones gruesas.
El níquel es lo que lo separa de un acero cromo-molibdeno como el 4140. Con 1,65 a 2,00 por ciento, el níquel eleva la tenacidad, actúa junto con el cromo y el molibdeno para llevar la templabilidad más profundo en la sección y mantiene propiedades de impacto útiles a baja temperatura.
Un punto importante para la selección de material: el 4340 es un acero estructural aleado, no un acero para herramientas. No está diseñado para la resistencia al desgaste ni la dureza en caliente que requiere el trabajo de matrices y corte. Si está eligiendo material para una matriz, punzón o herramienta de trabajo en caliente, la comparación con aceros para herramientas que aparece más abajo es la relevante.
El 4340 de un vistazo
| Propiedad | 4340 típico | Qué significa en la práctica |
| Steel type | Acero aleado níquel-cromo-molibdeno | Ultraalta resistencia en secciones gruesas |
| Dureza recocida | 217 HB | La barra se suministra normalmente en condición mecanizada |
| Dureza después del temple | 58 HRC a 13 mm, 53 HRC a 100 mm | Mantiene la dureza en profundidad dentro de la sección |
| Dureza de trabajo | 24 a 53 HRC después del revenido | La temperatura de revenido define el nivel |
| Temple total | Temple en aceite hasta 75 mm, en agua para secciones mayores | El temple en agua aumenta el riesgo de agrietamiento |
| Maquinabilidad | Aproximadamente 50 por ciento del AISI 1212 a 187 a 241 HB | Menor que el 4140 debido al níquel |
Composición química
| Elemento | AISI 4340 | JIS SNCM 439 | GB 40CrNiMoA |
| Carbon (C) | 0.38–0.43 | 0.36–0.43 | 0.37–0.44 |
| Manganeso (Mn) | 0.60–0.80 | 0.60–0.90 | 0.50–0.80 |
| Silicio (Si) | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 | 0.17–0.37 |
| Níquel (Ni) | 1.65–2.00 | 1.60–2.00 | 1.25–1.65 |
| Cromo (Cr) | 0.70–0.90 | 0.60–1.00 | 0.60–0.90 |
| Molibdeno (Mo) | 0.20–0.30 | 0.15–0.30 | 0.15–0.25 |
| Fósforo (P) | 0,035 máximo | 0,030 máximo | 0,035 máximo |
| Azufre (S) | 0,040 máximo | 0,030 máximo | 0,035 máximo |
Valores en por ciento. El grado de horno eléctrico E4340 usa los mismos rangos con residuales más ajustados, fósforo y azufre a 0,025 máx. cada uno, y manganeso de 0,65 a 0,85. Es la versión especificada donde las inclusiones y la vida a la fatiga importan, como en forjas aeroespaciales.
La banda de níquel es el número a verificar cuando un cliente pide 4340 y el fabricante ofrece 40CrNiMoA. Con 1,25 a 1,65 por ciento de níquel, el grado chino se sitúa en el extremo inferior de la banda del 4340, por lo que una sección gruesa puede no alcanzar la dureza que asume el plano aunque cada elemento esté dentro de su propio rango.
Respuesta al revenido y propiedades mecánicas
El 4340 alcanza muy alta resistencia manteniendo una tenacidad utilizable, y ese equilibrio es su propiedad definitoria. La tabla siguiente es la respuesta estándar al revenido para el 4340 templado en aceite, mantenido a temperatura durante al menos dos horas.
| Revenido | Resistencia, MPa (tracción / fluencia) | Dureza HB (HRC) | Impacto Izod, J |
| 205 °C | 1980 / 1860 | 520 (53) | 20 |
| 315 °C | 1760 / 1620 | 490 (50) | 14 |
| 425 °C | 1500 / 1365 | 440 (46) | 16 |
| 540 °C | 1240 / 1160 | 360 (39) | 47 |
| 650 °C | 1020 / 860 | 290 (31) | 100 |
| 705 °C | 860 / 740 | 250 (24) | 102 |
Lea la columna de impacto, no solo la dureza. Entre 205 °C y 540 °C la dureza cae alrededor de 160 HB mientras la energía absorbida se más que duplica, por lo que el 4340 se especifica donde una pieza debe soportar impactos a alta resistencia.
Dos efectos de fragilización importan al revenir el 4340:
- Fragilización de martensita revenida — depresión de propiedades en la banda de 230 a 370 °C, donde la tenacidad al impacto cae mientras la dureza aún parece saludable.
- Fragilización reversible por revenido — el enfriamiento lento a través de aproximadamente 375 a 575 °C después del revenido a alta temperatura permite que el fósforo se segregue en los límites de grano austenítico previo. El enfriamiento rápido y el doble revenido lo limitan; el molibdeno en el 4340 reduce pero no elimina la sensibilidad.
Debido al segundo efecto, no se recomienda revenir por debajo de 455 °C para el 4340 donde la pieza soporta carga de impacto o fatiga. Donde el requisito es la máxima resistencia, como en algunos componentes aeronáuticos, se usa la ventana de baja temperatura con doble revenido y un proceso calificado.
Templabilidad y tamaño de sección
La profunda templabilidad es la razón por la que los ingenieros eligen el 4340 sobre aceros aleados más pobres. El temple en aceite endurece secciones redondas de hasta 75 mm de diámetro; las secciones mayores necesitan temple en agua, lo que aumenta el riesgo de agrietamiento. Los grados más pobres como el 4140 endurecen bien en barras pequeñas pero se ablandan en el núcleo de secciones gruesas.
| Diámetro de barra, templado en aceite | Dureza superficial HRC | Dureza HB |
| 13 mm (0.5 in) | 58 | 614 |
| 25 mm (1 in) | 57 | 596 |
| 50 mm (2 in) | 56 | 577 |
| 100 mm (4 in) | 53 | 528 |
La pérdida en ese rango es de aproximadamente 5 HRC. Realice la misma comparación con el 4140 y la caída es más cercana a 8 HRC, con el núcleo cayendo mucho más rápido pasado los 75 mm, que es la diferencia práctica entre los dos grados.
Después del revenido la ventaja se mantiene. Templado en aceite y revenido a 425 °C, barras de 4340 de 13, 38 y 75 mm mantienen 1460, 1450 y 1420 MPa. Templado en agua y revenido a 650 °C, barras de 75, 100 y 150 mm mantienen 1055, 1035 y 1000 MPa a 340, 330 y 322 HB.
grados equivalentes
| Estándar | Grado | Composición química, C / Mn / Si / Cr / Ni / Mo |
| ASTM A29/A29M-03 | 4340 (G43400) | 0.38–0.43 / 0.60–0.80 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| ASTM A29/A29M-03 | E4340 (G43406) | 0.38–0.43 / 0.65–0.85 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| SAE J404 JUN00 | 4340 (G43400) | 0.38–0.43 / 0.60–0.80 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| JIS G4053:2003 | SNCM 439 | 0.36–0.43 / 0.60–0.90 / 0.15–0.35 / 0.60–1.00 / 1.60–2.00 / 0.15–0.30 |
| GB (China) | 40CrNiMoA | 0.37–0.44 / 0.50–0.80 / 0.17–0.37 / 0.60–0.90 / 1.25–1.65 / 0.15–0.25 |
DIN 1.6565 (40NiCrMo6) y BS 817M40 (EN24) pertenecen a la misma familia y son las designaciones que más se citan junto al 4340 en Europa. Son grados equivalentes más cercanos, no piezas intercambiables: la banda de níquel, el límite de azufre y la banda de templabilidad varían entre normas, y un grado que cumple la composición química aún puede no alcanzar la dureza en el tamaño de sección que asume el plano.
el tratamiento térmico
| Paso | Temperatura y nota |
| Normalización | 870–925 °C, mantener 1 h como mínimo o 15–20 min por cada 25 mm, enfriar al aire |
| Recocido | 830–860 °C, mantener, enfriar en horno a unos 15 °C/h hasta 480 °C, enfriar al aire |
| Endurecimiento | 800–845 °C, mantener 15 min por cada 25 mm, templar en aceite tibio a 25–60 °C |
| Revenido | 455–650 °C durante al menos 2 h, enfriar al aire; se recomienda doble revenido |
| Alivio de tensiones | 650–675 °C después del mecanizado y antes del temple, nunca por encima de la temperatura de revenido después |
Dos puntos prácticos que difieren del 4140 y que cuestan dinero si se pasan por alto. Primero, el rango de austenización es más bajo, 800–845 °C frente a 830–870 °C, y el aceite debe estar tibio en lugar de frío. Segundo, el 4340 normalmente se somete a doble revenido: el primer revenido transforma la austenita retenida, el segundo restaura la tenacidad.
Soldadura del 4340
El 4340 no es un acero de soldadura precalificado. Se debe redactar y calificar un procedimiento de soldadura para la junta.
- Precalentar por encima de la temperatura de inicio de la martensita, 290 °C (550 °F), de modo que la zona afectada por el calor se transforme en bainita en lugar de martensita sin revenir.
- Mantener el precalentamiento como temperatura entre pasadas y recalentar la pieza si desciende por debajo.
- Son obligatorios un proceso con bajo hidrógeno y consumibles con bajo hidrógeno.
- Postcalentamiento no superior a 28 °C (50 °F) por debajo de la temperatura de revenido que recibió la pieza.
Mecanizado del 4340
En estado recocido a 187–241 HB, el 4340 se mecaniza a aproximadamente 50% de la velocidad del AISI 1212 tomado como 100%. Es más lento que el 4140 al 65%, y el níquel es la razón. En estado templado y revenido a 255–363 HB la calificación cae aún más: prever velocidades más bajas, mayor desgaste de herramienta y un montaje más rígido, pero sin distorsión por un tratamiento térmico posterior.
Las piezas que comúnmente se mecanizan en 4340 incluyen pasadores de pistón, cojinetes, engranajes, mandriles de máquina herramienta, bloques de matriz y vástagos de herramientas de corte, junto con los usos estructurales que se indican a continuación.
Tenacidad y tenacidad a la fractura
La tenacidad es la propiedad por la que realmente se compra el 4340, y está directamente reñida con la dureza. La tabla siguiente muestra el mismo acero a tres durezas de trabajo, con la tenacidad a la fractura en deformación plana medida junto con la energía de impacto.
| Dureza, HB | Resistencia, MPa | Charpy entalla en V, J | K1c, MPa·m½ |
| 550 | 2040 | 19 | 53 |
| 430 | 1520 | 30 | 75 |
| 380 | 1290 | 42 | 110 |
Lea la fila de izquierda a derecha: de 380 HB a 550 HB el acero gana cerca de un 60 por ciento de resistencia y cede la mitad de su tenacidad a la fractura, de 110 a 53 MPa·m½. Los valores de resistencia de esa tabla están estimados a partir de la dureza, así que téngalos como una correspondencia y no como datos medidos. Cuando un plano exige 4340 a 550 HB, exige una pieza que tolera poco daño, y el diseño tiene que contar con ello.
Un grado relacionado que vale la pena conocer: el 300M es un 4340 modificado con silicio, con aproximadamente 1,6 por ciento de silicio, un contenido de carbono y molibdeno ligeramente superior y una pequeña adición de vanadio. El silicio permite una temperatura de revenido más alta con la misma resistencia, lo que mejora la tenacidad. También es más propenso a la descarburización durante el tratamiento térmico, por lo que la protección superficial importa más que en el 4340 simple.
4340 frente a 4140
El 4140 y el 4340 comparten la base de cromo-molibdeno, y la diferencia es el níquel. El 4140 prácticamente no tiene, el 4340 contiene de 1,65 a 2,00 por ciento, y esa única adición es lo que los separa en la revisión de un plano.
| Propiedad | 4340 | 4140 |
| Templanzabilidad profunda | Excelente en secciones pesadas | Moderado |
| Temple total | Temple en aceite hasta 75 mm | Se ablanda en el núcleo más allá de 75–100 mm |
| Dureza a 100 mm | 53 HRC tal como se templa | No templa en toda la sección |
| Resistencia a alta fuerza | Excelente | Bien |
| Resistencia a bajas temperaturas | Bien | Adecuado |
| Costo relativo | Mayor, debido al níquel | Más bajo |
Elija 4340 en lugar de 4140 cuando se necesite dureza total en una sección que el 4140 no puede templar en toda su profundidad, cuando se requiera máxima tenacidad a alta resistencia, cuando la pieza esté sometida a carga de fatiga, como componentes aeronáuticos y ejes de servicio pesado, o cuando importe la tenacidad a baja temperatura. Para secciones más ligeras a resistencia moderada, el 4140 es la respuesta más económica.
4340 frente a acero para herramientas
Esta es la distinción que atrae a muchos compradores a esta página, por lo que conviene ser directos. El acero 4340 no sustituye al acero para herramientas en trabajos de troquelado y corte.
| Requisito | 4340 | Acero para herramientas (D2 / H13) |
| Resistencia al desgaste | Bajo | Alto, por volumen de carburo |
| Dureza en caliente | Pobre | Bueno (H13) |
| retención de bordes | Pobre | Bien |
| Dureza práctica máxima | ~50–55 HRC | 58–64 HRC |
| Resistencia estructural con tenacidad | Excelente | Moderado |
El 4340 gana cuando la pieza es estructural y necesita resistencia y tenacidad extremas a temperatura ambiente o moderada. El acero para herramientas gana cuando la pieza debe resistir el desgaste, mantener un filo de corte o permanecer duro en caliente. Una matriz de trabajo en frío requiere D2 o A2. Una matriz de trabajo en caliente o herramienta de extrusión requiere H13 o H11. Usar 4340 en esas funciones produce desgaste prematuro y deformación, no una matriz más económica.
Aplicaciones comunes
El 4340 se encuentra en trenes de aterrizaje y herrajes estructurales de aeronaves, ejes de helicópteros y de tren motriz, ejes y árboles de transmisión de servicio pesado, engranajes, cigüeñales, tornillería de alta resistencia y cañones de armas. Las piezas aeroespaciales críticas para fatiga a menudo se fabrican con 4340 refundido al vacío, VAR o ESR, para reducir las inclusiones y elevar la vida a fatiga, ya que un acero más limpio resiste la iniciación de grietas bajo carga cíclica.
Normas y referencias
El 4340 está cubierto por ASTM A29/A29M y SAE J404 para barra, ASTM A322 para palanquillas y barras, y especificaciones AMS para barra y forjas aeroespaciales. Los grados equivalentes se encuentran en JIS G4053 (SNCM439) y GB/T 3077 (40CrNiMoA). Las propiedades mecánicas certificadas siempre deben vincularse a una norma declarada, un tamaño de sección y una ubicación de ensayo.
Datos de esta página:
- Respuesta al revenido, efecto de masa y práctica de tratamiento térmico — ASM Handbook Vol. 4, Heat Treating, sección 4340.
- Bandas de dureza recocido, normalizado y revenido, dureza por tamaño de sección, calificación de maquinabilidad y piezas típicas — Cutting Data for Turning of Steel, capítulo AISI 4340.
- Grados equivalentes y composición química — Handbook of Comparative World Steel Standards (ASTM DS 67B), tabla de aceros Ni-Cr-Mo.
- Composición química del GB 40CrNiMoA — 通用钢铁材料 (manual de materiales siderúrgicos chinos).
- Práctica de soldadura — ASM Handbook Vol. 6, Welding, Brazing and Soldering.
- Ficha de referencia del AISI 4340, PDF de 2 páginas, 412 KB. El PDF está en inglés. Las mismas tablas, imprimibles.
Lectura relacionada: