Resumen técnico del acero 4140

El acero 4140 es un acero versátil de bajo contenido en carbono y baja aleación. Contiene cromo y molibdeno como principales elementos de aleación. Este acero es conocido por su buena templabilidad, que le permite alcanzar una gran resistencia y dureza mediante procesos de tratamiento térmico como el temple y el revenido. Se suele utilizar en aplicaciones que requieren un buen equilibrio entre resistencia y tenacidad, como ejes, engranajes y otros componentes de maquinaria. Puede someterse a diversos tratamientos térmicos, como el recocido para ablandarlo, la normalización para mejorar la microestructura y conseguir una resistencia moderada, y el temple seguido del revenido para lograr las propiedades mecánicas deseadas.

1. 1. Composición química

Carbono (C)	Manganeso (Mn)	Fósforo (P)	Azufre (S)	Silicio (Si)	Cromo (Cr)	Molibdeno (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,035% (máx.)	≤ 0,040% (máx)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Aplicaciones

En función de sus propiedades, el acero 4140 se utiliza en diversos componentes de ingeniería exigentes debido a su buena templabilidad, alta resistencia y dureza potencial, y un nivel decente de tenacidad cuando se trata térmicamente de forma adecuada. He aquí un desglose de las aplicaciones basadas en estas propiedades:

2.1 Componentes que requieren alta resistencia y dureza (conseguidas mediante temple y revenido):

• Piezas sometidas a cargas estáticas y dinámicas de motores y máquinas de automóviles, como cigüeñales. La elevada dureza alcanzada tras el temple lo hace adecuado para estas exigentes aplicaciones.
• Piezas mecanizadas con grandes secciones transversales en las que puede obtenerse una elevada resistencia tras el afino. Su buena templabilidad permite el endurecimiento pasante en espesores importantes.
• Componentes para condiciones de servicio moderadamente severas en las que se necesita un equilibrio entre resistencia y tenacidad.
• Engranajes que requieren temple pasante para alcanzar la solidez y resistencia al desgaste necesarias.
• Pasadores y ejes en diversas aplicaciones de ingeniería, donde son cruciales una alta resistencia y tenacidad. Para aplicaciones más exigentes, puede endurecerse y templarse para alcanzar resistencias en el núcleo del orden de 100-140 kgf/mm².
• Los componentes requieren resistencia al desgaste, por lo que es adecuado para técnicas de endurecimiento superficial como el endurecimiento por llama e inducción.
• Piezas de automóvil de gran demanda, como ejes, que se benefician de su resistencia y templabilidad.
• Tubos de acero aleado para aplicaciones generales y estructurales, donde su resistencia tras el tratamiento térmico es ventajosa.
• Las barras y piezas forjadas para diversos fines de ingeniería suelen someterse a tratamiento térmico para alcanzar niveles de resistencia específicos.

2.2 Componentes que requieren dureza superficial y resistencia al desgaste (conseguidas mediante nitruración o endurecimiento por inducción):

• Los engranajes que requieren una caja profunda y una dureza superficial inferior a 60 HRC pueden fabricarse con acero 4140 y someterse a nitruración.
• Los engranajes y otros componentes se benefician del endurecimiento por inducción para obtener una capa superficial dura y resistente al desgaste.

2.3 Aplicaciones de utillaje:

Aunque no se considera principalmente un acero para herramientas, el 4140 es popular en el taller de herramientas para diversas aplicaciones que requieren una templabilidad moderada y una buena resistencia y tenacidad.

3. 3. Propiedades físicas

3.1 Resistencia a la tracción del acero 4140

Condición	Resistencia a la tracción (MPa)	Resistencia a la tracción (ksi)
Recocido	434-620	63-90
Normalizado	Puede oscilar entre 483 y 690 según el contenido de carbono	Puede oscilar entre 70,0 y 100,0 en función del contenido de carbono
Templado y revenido a 205 °C (400 °F)	1965-1980	285-287
Templado y revenido a 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
Templado y revenido a 540 °C (1000 °F)	1140-1240	165-180
Templado y revenido a 650 °C (1200 °F)	900-1020	130-148
Estirado en frío y recocido	Aproximadamente 620-703	Aproximadamente 90-102
Estirado a 1000°F (540 °C)	Aproximadamente 903-1054	Aproximadamente 131-153

3.2 Límite elástico (0.2% Offset) del acero 4140

Condición	Límite elástico (MPa)	Límite elástico (ksi)
Recocido	Aproximadamente 201-434 dependiendo del contenido de carbono	Aproximadamente 29,1-63 según el contenido de carbono
Normalizado	Puede oscilar entre 247 y 355 según el contenido de carbono	Puede oscilar entre 35,8 y 51,5 según el contenido de carbono
Templado y revenido a 205 °C (400 °F)	1740-1860	252-270
Templado y revenido a 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
Templado y revenido a 540 °C (1000 °F)	985-1160	143-168
Templado y revenido a 650 °C (1200 °F)	790-860	114-125
Estirado en frío y recocido	Aproximadamente 620-703	Aproximadamente 90-102
Estirado a 1000°F (540 °C)	Aproximadamente 903-1054	Aproximadamente 131-153

3.3 Propiedades de ductilidad (alargamiento y reducción de área) del acero 4140

Propiedad	Condición	Valor
Alargamiento (en 50 mm/2 pulg.)	Recocido	Normalmente alrededor de 18-27%
Alargamiento (en 50 mm/2 pulg.)	Templado y revenido	Disminuye al aumentar la temperatura de revenido. Por ejemplo, puede oscilar entre 11% (a 205 °C/400 °F) y 23% (a 705 °C/1300 °F).
Reducción de la superficie	Templado y revenido	Generalmente oscila entre 39% y 65% dependiendo de la temperatura de revenido

3.4 Dureza del acero 4140

Condición	Valor de dureza
Recocido	Aproximadamente 185 HB
As-Quenched	Puede alcanzar alrededor de 601 HB
Templado y revenido	Varía mucho con la temperatura de revenido, desde unos 578 HB (~53 HRC) a 205 °C (400 °F) hasta 235 HB (~24 HRC) a 705 °C (1300 °F).

3.5 Resistencia al impacto del acero 4140

Propiedad	Condición	Observación / Valor
Resistencia al impacto	Templado y revenido	Aumenta con el incremento de la temperatura de revenido.
Energía de impacto Izod	Templado y revenido	Por ejemplo, la energía de impacto Izod puede oscilar entre 15 J (11 ft-lb) a 205 °C (400 °F) y 136 J (100 ft-lb) a 705 °C (1300 °F).
Muesca Charpy en V	Templado y revenido	Los valores también muestran una tendencia similar [a Izod].

3.6 Resistencia a la fatiga del acero 4140

Condición	Observación / Valor
General	Sensible a la entalladura y a la transición en piezas de máquinas sometidas a cargas de fatiga.
Templado y revenido (dureza 46-50 HRC)	La resistencia a la fatiga bajo flexión rotativa puede rondar los 270 MPa (39 ksi).
Granallado (después de Q&T)	El granallado puede aumentar significativamente la resistencia a la fatiga.

3.7 Otras propiedades mecánicas del acero 4140

Propiedad	Condición	Valor
Módulo elástico	Tensión	Alrededor de 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Resistencia al cizallamiento	Varilla templada H04	Puede oscilar entre 200-205 MPa (29-32 ksi) en función del diámetro.

4. Tratamiento térmico

4.1 Recocido: Este proceso se utiliza para ablandar el acero, mejorar la maquinabilidad y aliviar las tensiones internas. Los pasos generales para el recocido del acero 4140 son:

• Calentamiento: Calentar el acero 4140 a 830 a 870 °C (1525 a 1600 °F), asegurando un calentamiento uniforme en toda la sección. En general, se recomienda un calentamiento lento de los aceros aleados para minimizar las tensiones térmicas3.
• Mantenimiento (remojo): Mantener esta temperatura durante un tiempo suficiente. El tiempo de mantenimiento suele depender del grosor de la sección de la pieza o de la carga del horno.
• Enfriamiento: Enfriar lentamente el acero en el horno a un ritmo aproximado de 15 °C/h (30 °F/h) hasta unos 480 °C (900 °F), seguido de un enfriamiento con aire hasta la temperatura ambiente. Este enfriamiento lento permite la formación de una microestructura más blanda. La dureza máxima alcanzable tras el recocido es de unos 197 HB4. También pueden emplearse métodos de recocido isotérmico, que implican un enfriamiento controlado a un rango de temperatura específico y un mantenimiento antes del enfriamiento final, para obtener una estructura predominantemente perlítica.

4.2 Normalización: Este tratamiento refina la estructura del grano, mejora la uniformidad y aumenta la resistencia y la dureza en comparación con el estado recocido. Las etapas son:

• Calentamiento: Calentar el acero 4140 a una temperatura de 845 a 925 °C (1550 a 1700 °F), que es aproximadamente de 55 a 85 °C (100 a 150 °F) por encima de su temperatura de transformación superior. Esto garantiza la transformación completa en austenita. Para una temperatura de normalización específica, mencionó 1600 °F (aproximadamente 870 °C), que entra dentro de este rango.
• Mantener: Mantener a esta temperatura durante un mínimo de 1 hora o de 15 a 20 minutos por cada 25 mm (1 pulgada) de espesor máximo de la sección. Esto permite la formación de austenita homogénea.
• Enfriamiento: Enfriar el acero en aire en calma hasta alcanzar la temperatura ambiente. La mayor velocidad de enfriamiento, en comparación con el recocido, da como resultado una estructura perlítica más fina y una mayor dureza.

El acero 4140 normalizado a 870 °C (1600 °F) mostrará una estructura de grano refinada, mejorando la resistencia y la dureza en comparación con su estado forjado o laminado en caliente. Sirve como tratamiento térmico preparatorio común antes del posterior temple y revenido para conseguir las propiedades mecánicas finales deseadas para las aplicaciones específicas de su fábrica. La dureza exacta tras el normalizado dependerá de las dimensiones de la pieza y de la velocidad de enfriamiento alcanzada. Recuerde que este estado normalizado es a menudo un paso intermedio, y que suele ser necesario un tratamiento térmico posterior, como el revenido, para optimizar el equilibrio de resistencia, ductilidad y tenacidad para las condiciones de servicio previstas.

4.3 Endurecimiento (temple): Este proceso tiene por objeto conseguir una estructura martensítica dura. Implica:

• Precalentamiento (opcional pero recomendado): Para el acero 4140, un precalentamiento a unos 650 °C (1200 °F) durante 10 a 15 minutos puede ser beneficioso, especialmente para formas complejas, para reducir el choque térmico y minimizar la distorsión.
• Austenitización: Calentar el acero hasta la temperatura de austenitización, normalmente entre 845 y 925 °C (1550 y 1700 °F). Algunas fuentes especifican una temperatura de 855 °C (1575 °F). Mantener a esta temperatura durante un tiempo de inmersión suficiente para asegurar la transformación completa a austenita, que depende del espesor de la sección (por ejemplo, añadir 5 minutos por cada pulgada de la sección transversal más pequeña después de alcanzar la temperatura de austenización). Un remojo excesivo, especialmente a temperaturas más altas, puede provocar un crecimiento indeseado del grano de austenita.
• Enfriamiento: Enfriar rápidamente el acero a partir de la temperatura de austenización en un agente de enfriamiento adecuado. Para el acero 4140, el temple en aceite es el método más común y recomendado para conseguir el endurecimiento minimizando el riesgo de agrietamiento asociado a los agentes de temple más rápidos como el agua. Sin embargo, el temple con agua puede utilizarse para secciones más grandes en función de los requisitos de templabilidad. La eficacia del temple depende de la temperatura del mismo. Si se toma un acero 4140 recocido a 1600 °F y luego se templa con aceite a partir de la temperatura de austenitización adecuada, se conseguirá una dureza y resistencia elevadas características de la martensita, pero el material será quebradizo con una ductilidad y tenacidad bajas. Para la mayoría de las aplicaciones de ingeniería sería necesario un proceso de revenido posterior.

4.4 Templado: La martensita endurecida es generalmente quebradiza y contiene tensiones internas. El revenido se realiza para reducir la fragilidad, aliviar estas tensiones y mejorar la tenacidad, conservando al mismo tiempo suficiente dureza y resistencia. Las etapas son:

• Calentamiento: Recalentar el acero templado a una temperatura de revenido específica, que siempre es inferior a la temperatura de austenización. La temperatura de revenido del acero 4140 suele oscilar entre 205 y 705 °C (400 y 1300 °F), en función de las propiedades mecánicas deseadas. Es fundamental que el revenido tenga lugar tan pronto como las piezas alcancen de 52 a 65 °C (125 a 150 °F) después del temple para evitar el agrietamiento. El revenido entre 230 y 370 °C (450 y 700 °F) suele evitarse en el caso del acero 4140 para prevenir la fragilidad azul.
• Mantenimiento: Mantener a la temperatura de revenido durante un tiempo determinado, normalmente de 1 a 2 horas18 o 2 horas por pulgada (25 mm) de sección transversal. Esto permite la difusión de carbono y elementos de aleación y la formación de martensita revenida con las propiedades deseadas.
• Enfriamiento: Enfriar a temperatura ambiente al aire o mediante temple en agua o aceite. La velocidad de enfriamiento tras el revenido no suele ser crítica. A menudo, puede utilizarse un segundo ciclo de revenido a una temperatura ligeramente inferior.

4.5 Esferoidización: Se trata de un proceso de recocido especializado que produce una microestructura de carburos globulares en una matriz ferrítica, lo que da como resultado una máxima suavidad y una mejor conformabilidad. En el caso del acero 4140, esto puede conseguirse calentando a una temperatura de 760 a 775 °C (1400 a 1425 °F) y manteniéndolo entre 4 y 12 horas, seguido de un enfriamiento lento.

4.6 Endurecimiento de la superficie: Para mejorar la resistencia al desgaste manteniendo un núcleo más duro, el acero 4140 puede someterse a procesos de endurecimiento superficial como:

• Endurecimiento por inducción: Consiste en calentar rápidamente la capa superficial hasta la temperatura de austenización mediante una bobina de inducción, seguido de un enfriamiento rápido. De este modo se crea una capa superficial dura. Tras el temple por inducción, suele realizarse el revenido.
• Nitruración: Se trata de un proceso termoquímico que introduce nitrógeno en la superficie del acero a temperaturas relativamente bajas, formando compuestos de nitruro duro y mejorando la resistencia al desgaste y a la fatiga. A menudo se realiza un revenido antes de la nitruración.

5. Acero 4140 Vs D2

• El acero 4140 es su caballo de batalla para componentes estructurales y de maquinaria que requieren un buen equilibrio de resistencia y tenacidad con una resistencia al desgaste moderada que puede mejorarse. Ofrece versatilidad mediante diversos tratamientos térmicos, incluido el endurecimiento superficial.
• Acero D2 es su elección para aplicaciones de utillaje que requieran una alta resistencia a la abrasión y estabilidad dimensional durante el temple. Su mayor contenido de carbono y cromo proporciona los carburos duros necesarios para la resistencia al desgaste, pero a costa de una menor tenacidad en comparación con el 4140.
• En resumen, el 4140 es probablemente la mejor opción para piezas de maquinaria que necesitan gran resistencia y tenacidad. Si se trata de herramientas que requieren una resistencia excepcional al desgaste y la abrasión, el acero D2 sería más apropiado.

6. Acero 4140 frente a 4130

• El acero 4140 posee un mayor contenido de carbono, lo que se traduce en una mayor templabilidad, resistencia y dureza tras el tratamiento térmico en comparación con el 4130. Normalmente se templa en aceite.
• El acero 4130 tiene un menor contenido de carbono, lo que da lugar a una templabilidad inferior o intermedia y, en general, a una resistencia y dureza inferiores a las del 4140 tras tratamientos térmicos similares. A menudo se templa en agua.
• En resumen, si es primordial una mayor resistencia, el 4140 suele ser la opción preferida. Si es suficiente una resistencia moderada con una soldabilidad o mecanizabilidad potencialmente mejores y el tamaño de la sección es una limitación importante para el endurecimiento, puede considerarse el 4130.

7. Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades del acero 4140

8. Aluminio billet 7075 frente a acero 4140

• El tocho de acero 4140 ofrece un potencial de resistencia y dureza superior al del aluminio 7075, junto con una buena tenacidad. También es más denso y más fácilmente soldable (con precauciones). Requiere tratamiento térmico para alcanzar sus propiedades óptimas y es susceptible a la corrosión.
• El tocho de aluminio 7075 proporciona una densidad significativamente menor con una alta resistencia, lo que lo hace ventajoso en aplicaciones sensibles al peso. Tiene una buena resistencia a la corrosión, pero suele ser más difícil de soldar. Su resistencia se consigue mediante temperaturas de tratamiento térmico específicas.

9. Acero 4140 para cuchillos

El acero 4140 puede tratarse térmicamente para conseguir la dureza necesaria para una hoja de cuchillo, pero su falta de propiedades inoxidables lo convierte en una opción menos convencional que los aceros diseñados específicamente para cuchillería. Si necesita un cuchillo resistente a la corrosión, le convendría más explorar las aleaciones de acero inoxidable. Si la resistencia y la dureza son los requisitos principales y se puede controlar la corrosión, se podría considerar el 4140, pero será crucial prestar especial atención al tratamiento térmico.