Descripción técnica del acero 4340

Descripción técnica del acero 4340: El acero 4340 es un popular acero de medio carbono y baja aleación. Es conocido por su alta resistencia, gran templabilidad y tenacidad, que se consiguen mediante procesos de tratamiento térmico como el temple y el revenido. Este acero suele contener elementos de aleación como cromo, níquel y molibdeno, y se utiliza a menudo en aplicaciones que requieren condiciones de servicio moderadamente severas, incluidos componentes como engranajes, estrías y ejes.

1. 1. Composición química

Carbono (C)	Cromo (Cr)	Níquel (Ni)	Molibdeno (Mo)	Manganeso (Mn)	Silicio (Si)	Fósforo (P)	Azufre (S)
0.38 – 0.43%	0.70 – 0.90%	1.65 – 2.00%	0.20 – 0.30%	0.60 – 0.80%	0.15 – 0.35%	≤ 0,035% (máx.)	≤ 0,040% (máx)

2. Propiedades mecánicas del acero 4340

Las propiedades mecánicas típicas del acero 4340 tras el temple en aceite a partir de 845 °C (1550 °F) y el revenido a distintas temperaturas.

Temperatura de revenido	Resistencia a la tracción	límite elástico	Alargamiento en 50 mm (2 pulg.)	Reducción de la superficie	Dureza	Energía de impacto Izod
205 °C (400 °F)	Aprox. 1980 MPa (287 ksi)	Aprox. 1860 MPa (270 ksi)	Alrededor de 11%	Alrededor de 39%	Aprox. 520 HB (≈ 53 HRC)	Alrededor de 20 J (15 ft-lb)
425 °C (800 °F)	Aprox. 1500 MPa (217 ksi)	Aprox. 1365 MPa (198 ksi)	Alrededor de 14%	Alrededor de 48%	Aprox. 440 HB (≈ 46 HRC)	Alrededor de 16 J (12 ft-lb)
650 °C (1200 °F)	Aprox. 1020 MPa (148 ksi)	Aprox. 860 MPa (125 ksi)	Alrededor de 20%	Alrededor de 60%	Aprox. 290 HB (≈ 31 HRC)	Alrededor de 100 J (74 ft-lb)

3. Aplicaciones del acero 4340

• Engranajes, estrías y ejes: La alta resistencia y tenacidad del acero 4340 hacen que se utilice ampliamente para fabricar engranajes y estrías que deben soportar grandes cantidades de par y cargas de impacto. También se emplea para fabricar ejes para otra maquinaria en la que la resistencia a la fatiga y los esfuerzos de torsión son esenciales.
• Componentes de aeronaves: La capacidad del acero 4340 con tratamiento térmico para alcanzar una elevada relación resistencia-peso hace que se utilice en estructuras específicas de aeronaves, como componentes del tren de aterrizaje y partes del fuselaje, donde el fallo en condiciones extremas no es una opción. Es importante tener en cuenta que para los aviones hay que exigir pruebas y controles de calidad rigurosos, como las pruebas transversales de propiedades mecánicas.
• Piezas de automóvil: Algunas aplicaciones para el acero 4340 pueden incluir piezas de automóvil de alta demanda donde la resistencia y la durabilidad son importantes, como ciertos tipos de ejes y componentes de suspensión.
• Herramientas y troqueles: Aunque el 4340 no suele ser un "acero para herramientas" primario como los aceros de alto carbono o de alta velocidad, su combinación de resistencia y tenacidad puede hacerlo útil para algunas aplicaciones de utillaje, como matrices de agarre y matrices de forja por estampación, principalmente para series de producción más cortas o servicios menos severos en los que la resistencia extrema al desgaste no es primordial.
• Componentes para la industria del petróleo y el gas: La buena resistencia y tenacidad del acero 4340 también lo hacen adecuado para algunos componentes de la industria del petróleo y el gas que se encuentran en entornos difíciles y piezas sometidas a grandes esfuerzos. Por ejemplo, podría utilizarse en tuberías y válvulas para la recogida y refinado de petróleo.
• Aplicaciones de rodamientos: El 52100 se utiliza con frecuencia para cojinetes, pero para algunas aplicaciones con tolerancias más ajustadas o de menor rendimiento, se podría considerar el 4340, especialmente en estado carburizado, cuando se necesita un equilibrio entre resistencia y tenacidad.
• Tornillería de alta resistencia: Debido a su capacidad para alcanzar altos niveles de resistencia mediante tratamiento térmico, el acero 4340 es un candidato para pernos y elementos de fijación de alta resistencia en escenarios críticos o de alta tensión.
• Maquinaria y componentes estructurales: El 4340 se utiliza habitualmente como acero de alta resistencia para maquinaria, aunque también puede emplearse en una amplia variedad de componentes estructurales y mecánicos en los que se requiere una resistencia de moderada a alta y una buena tenacidad. Algunos ejemplos podrían ser piezas para equipos pesados, maquinaria industrial u otro tipo de ingeniería de alta exigencia.

4. Tratamiento térmico

4.1 Precalentamiento

Esta etapa es útil para limitar el choque térmico del acero en la siguiente fase de austenitización a alta temperatura. Mejora la uniformidad general del calentamiento y reduce las posibilidades de agrietamiento, sobre todo en zonas del componente con geometrías complejas o secciones transversales variables. En el caso del acero 4340, una temperatura de precalentamiento habitual sería de 650°C (1200°F) durante un breve periodo de tiempo para que la pieza alcance una temperatura uniforme. Este paso también puede ayudar a relajar algunas tensiones inducidas durante procesos de fabricación anteriores, como el mecanizado.

4.2 Austenitización

La austenitización es el proceso clave, y consiste en calentar el acero a una temperatura elevada seleccionada, que suele oscilar entre 815 y 855°C (1500 y 1575°F) y mantenerla a esta temperatura durante un tiempo de inmersión suficiente para permitir que la microestructura se transforme 100% en austenita. El espesor de las secciones determinará la temperatura específica de austenitización y el periodo de mantenimiento. El objetivo es conseguir una estructura austenítica homogénea antes de la siguiente etapa.

4.3 Apagado

Tras la austenitización, el acero debe enfriarse lo suficientemente rápido para convertir la austenita en martensita, una fase de alta resistencia y con frecuencia quebradiza. El enfriamiento en aceite es el método más común para el acero 4340 para conseguir un buen equilibrio de dureza y minimizar la distorsión y el agrietamiento. Sin embargo, para secciones más grandes (por ejemplo, de más de 75 mm de diámetro), puede utilizarse el temple en agua para obtener un endurecimiento completo, aunque esto aumenta considerablemente la probabilidad de agrietamiento. Es importante mencionar que el enderezado de la pieza, si es necesario debido a la distorsión durante el temple, a menudo puede llevarse a cabo mientras la temperatura del acero está todavía por encima de unos 205°C (400°F).

4.4 Templado

El acero 4340 templado tiene una estructura totalmente martensítica, que suele ser demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones de ingeniería. Tras el temple, el acero endurecido debe templarse, normalmente recalentándolo a una temperatura más baja, generalmente entre 150 y 705 °C (300 y 1300 °F), manteniéndolo a esa temperatura durante un tiempo determinado (normalmente al menos 2 horas por pulgada de sección transversal), antes de enfriarlo a temperatura ambiente. Como ya se ha mencionado, la temperatura de revenido influye directamente en las propiedades mecánicas obtenidas. En general, las temperaturas de revenido más bajas producen mayor resistencia y dureza, mientras que las temperaturas más altas producen mayor ductilidad y tenacidad. Para algunas aplicaciones, a veces puede utilizarse un temple doble.

4.5 Alivio del estrés (opcional, recomendado)

Para reducir las tensiones residuales del mecanizado, conformado o soldadura, considere la posibilidad de aplicar un tratamiento de alivio de tensiones antes del proceso de temple (para evitar una distorsión excesiva durante el temple) o después del temple (pero por debajo de la temperatura de revenido para evitar que afecte a la dureza del temple). En el caso del acero, un intervalo común de temperatura de alivio de tensiones sería de 650 a 675°C (1200 a 1250°F), con un tiempo de mantenimiento que depende del grosor de la sección.

4.6 Tratamiento bajo cero (opcional)

Si la estabilidad dimensional es de suma importancia, los componentes pueden someterse a un tratamiento bajo cero (refrigerados a -87 a -60°C o -125 a -75°F) después del temple y antes del revenido para convertir la austenita restante en martensita. A continuación, se procede al revenido para obtener las propiedades finales deseadas y reducir la fragilidad de la martensita recién formada.

5. ¿Cuál es la diferencia entre el acero 4140 y el 4340?

La diferencia clave entre 4140 y el acero 4340 radica en la adición de níquel en el 4340, que, junto con un contenido de molibdeno ligeramente superior en algunas especificaciones, da lugar a una mayor templabilidad, mayor resistencia y mejor tenacidad en comparación con el 4140. Esto hace que el 4340 sea más adecuado para aplicaciones de mayor tensión y componentes de mayor tamaño. A la hora de elegir entre uno y otro, es fundamental tener en cuenta los requisitos específicos de propiedades mecánicas y las dimensiones de la pieza en relación con las características de templabilidad de cada grado de acero.