Acero 4140: Propiedades, dureza y tratamiento térmico
¿Qué es el acero 4140?
El acero 4140 es una aleación de cromo-molibdeno de carbono medio (AISI/SAE 4140) y uno de los aceros de ingeniería más utilizados. Su composición aproximada de 0,40% de carbono, 1% de cromo y 0,2% de molibdeno le confiere un excelente equilibrio entre resistencia, tenacidad y templabilidad, lo que permite que una sola calidad abarque una amplia gama de niveles de resistencia mediante tratamiento térmico.
A nivel internacional, se conoce como 42CrMo4 (1.7225) según EN/DIN, SCM440 según JIS, 42CrMo según GB y G41400 según UNS.
Un punto crucial para la selección de materiales es que el acero 4140 es una aleación estructural, no un acero para herramientas. Se utiliza en ejes, engranajes, pernos, acoplamientos y componentes de maquinaria que deben soportar cargas y resistir la fatiga. No está diseñado para herramientas de corte, troquelado o conformado, donde la resistencia al desgaste y la alta dureza son fundamentales. Saber dónde se encuentra este límite marca la diferencia entre una pieza duradera y una que falla prematuramente.
Composición química
| Elemento | AISI 4140 (peso %) | 42CrMo4 / EN (peso %) | GB 42CrMo (peso %) |
| Carbono (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 máx. | 0,035 máximo | 0,035 máximo |
El cromo y el molibdeno son los elementos que distinguen al acero 4140 de un acero al carbono común como el 1045. El cromo aumenta la templabilidad y la resistencia al desgaste; el molibdeno mejora aún más la templabilidad, mantiene la resistencia a temperaturas moderadas y reduce la susceptibilidad a la fragilización reversible por revenido. En conjunto, permiten que las secciones más gruesas se endurezcan de manera más uniforme que en el acero al carbono.
Propiedades mecánicas
El acero 4140 rara vez se utiliza en una única condición fija. Su valor reside en la previsibilidad con la que se templa, sacrificando dureza por tenacidad, de modo que la misma barra puede ajustarse desde un eje resistente cercano a 28 HRC hasta una superficie de desgaste resistente superior a 50 HRC.
| Condición | Resistencia a la tracción | límite elástico | Alargamiento | Dureza |
| Recocido | ~655 MPa | ~415 MPa | ~25% | ~197 HB |
| Q&T, temperamento tranquilo | 1400–1800 MPa | 1200–1600 MPa | 8–12% | ~45–52 HRC |
| Q&T, temperamento medio | 1000–1200 MPa | 800–1000 MPa | 12–18% | ~35–40 HRC |
| Q&T, temperamento fuerte | 800–1000 MPa | 650–800 MPa | 15–22% | ~28–35 HRC |
Los valores reales dependen del tamaño de la sección, los parámetros exactos del tratamiento térmico y la norma de ensayo, por lo que se trata de rangos típicos y no de mínimos garantizados. Las propiedades certificadas según una norma como la EN 10083-3 deben estar vinculadas a un tamaño de sección y una ubicación de ensayo definidos.
Dureza y templabilidad
En estado templado, en secciones delgadas con una estructura martensítica completa, el acero 4140 alcanza aproximadamente 54–58 HRC. Tras el revenido, la dureza de trabajo práctica suele ser de 50–55 HRC, y la mayoría de las aplicaciones requieren una dureza menor para conservar una tenacidad útil.
Dureza por ruta:
- Recocido: ~197 HB, blando y mecanizable
- Templado en toda su masa (en aceite): hasta ~55 HRC en secciones delgadas (menos de 25 mm); ~45–52 HRC a 25–75 mm; ~35–45 HRC por encima de 75 mm
- Endurecido por inducción o por llama: Caso HRC 50–58 sobre núcleo duro.
- Nitrurado: Superficie de ~500–650 HV (equivalente a aproximadamente 49–58 HRC)
El límite real reside en la templabilidad, no en la dureza máxima. El acero 4140 presenta una templabilidad moderada, por lo que en secciones gruesas el núcleo se enfría demasiado lentamente para formar martensita completa, y la dureza del núcleo disminuye. Por encima de los 100 mm aproximadamente, el temple en aceite ya no endurece el centro al mismo nivel que la superficie. Para piezas grandes que deben ser duras en toda su extensión, este es el factor determinante, y se requiere un grado con mayor capacidad de endurecimiento o un proceso diferente.
Tratamiento térmico
Recocido: Calentar a 830–870 °C, mantener a esa temperatura y, a continuación, enfriar lentamente en el horno hasta obtener una estructura blanda y mecanizable cercana a los 197 HB.
Normalizando: Calentar a 870–900 °C y enfriar al aire para refinar el grano y uniformizar la estructura antes del endurecimiento o el mecanizado.
Endurecimiento: Austenitizar a 830–870 °C y templar en aceite. El aceite es el método estándar; el agua o la salmuera aumentan el riesgo de agrietamiento en formas complejas y, por lo general, se evitan.
Templado: Templar entre aproximadamente 205 °C y 650 °C para fijar las propiedades finales.
- Baja (~205 °C): máxima dureza, ~50–55 HRC, mínima tenacidad.
- Temperatura media (~425–500 °C): equilibrio entre resistencia y tenacidad, ~35–40 HRC
- Alta (~540–650 °C): máxima tenacidad para cargas dinámicas y de fatiga, ~28–35 HRC
Dos efectos de fragilización merecen ser respetados:
- Fragilización por martensita templada Esto ocurre durante el revenido en el rango de 260–370 °C, lo que reduce la tenacidad al impacto. Cuando la tenacidad es importante, normalmente se omite este rango.
- Fragilización reversible por temple Puede desarrollarse en secciones gruesas que se enfrían lentamente en el rango de 375–575 °C después del revenido a alta temperatura, y está relacionado con el fósforo y otras impurezas similares. El molibdeno en el acero 4140 reduce esta tendencia, y un enfriamiento más rápido desde la temperatura de revenido la limita aún más.
¿Acero 4140 o acero para herramientas? Cómo elegir el grado adecuado para cada trabajo.
Los aceros 4140 y los aceros para herramientas presentan cierta superposición en sus rangos de dureza, por lo que resulta tentador sustituir uno por otro basándose únicamente en el precio. La elección correcta depende de las exigencias a las que esté sometida la pieza.
El acero 4140 es la mejor opción cuando la pieza soporta carga y fatiga en lugar de corte o abrasión: ejes, engranajes, mandriles, soportes, travesaños y componentes estructurales de maquinaria. Es más resistente y mucho más económico que el acero para herramientas, se suelda con mayor facilidad (con precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura) y está disponible en una gama más amplia de tamaños y formas. Cuando no se requiere una vida útil extrema ni una dureza superior a 58 HRC, pagar por acero para herramientas no compensa.
El acero para herramientas es la respuesta correcta cuando los modos de falla son desgaste, retención del filo o calor. El acero 4140 no puede mantener un filo de corte ni resistir el desgaste abrasivo de la matriz tan bien como un grado con alto contenido de carburo, y pierde resistencia rápidamente por encima de los 400 °C. Vale la pena destacar tres puntos clave:
- Herramientas de corte y troquelado Requieren la dureza (60+ HRC) y el volumen de carburo que el 4140 no posee. El D2 o el A2 duran mucho más en un troquel de desgaste.
- Herramientas para trabajo en caliente que funcionan por encima de ~400 °C. Necesita la dureza en caliente del H13, de la que el 4140 carece por completo.
- Cualquier pieza que deba soportar 58+ HRC En una sección real, según las reglas de tamaño de sección, 4140 fuera, ya que no puede alcanzar esa dureza de manera confiable.
| 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 (por debajo de 400 °C) | Bajo | Excelente (hasta ~600 °C) | Bajo |
| Dureza | Bien | Moderado | Bien | Moderado |
| Costo relativo | Bajo | Alta | Alta | Medio-alto |
| Volumen de carburo | Ninguno | Alto (carburos de Cr) | Bajo (carburos de aleación) | Moderado (carburos de Cr) |
Normas y referencias
El acero 4140 y sus equivalentes están cubiertos por las normas SAE J404 (composición química), ASTM A29/A29M (requisitos generales para barras) y EN 10083-3 (aceros aleados 42CrMo4, templados y revenidos). Las propiedades mecánicas certificadas siempre deben estar vinculadas a una norma y un tamaño de sección específicos.