Acero de aleación 4130: propiedades y aplicaciones

El acero de aleación 4130 se clasifica como acero de medio carbono y baja aleación según el sistema AISI. Su designación destaca sus principales elementos de aleación: cromo (aprox. 1%) y molibdeno (aprox. 0,20%). Este versátil acero ofrece una sólida combinación de resistencia, tenacidad y soldabilidad.

1. Composición química del acero de aleación 4130

La composición química típica del acero 4130 (en porcentaje de peso) es:

• Carbono (C):28-0.33% (Proporciona un equilibrio entre resistencia y ductilidad)
• Manganeso (Mn):40-0.60% (Contribuye a la templabilidad y la resistencia)
• Silicio (Si):20-0.35% (Actúa como desoxidante y puede aumentar la resistencia)
• Cromo (Cr):80-1.10% (Mejora la templabilidad, la resistencia a la corrosión y la resistencia al desgaste)
• Molibdeno (Mo):15-0.25% (Mejora la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas y resiste la fragilización por revenido)
• Fósforo (P) y azufre (S): Mantenido bajo (normalmente máximo 0,030-0,040% cada uno)
• Cobre (Cu): Puede estar presente (hasta 0,351 TP3T en algunas especificaciones)

2. Características de templabilidad

El acero aleado 4130 se endurece al agua con una templabilidad baja a intermedia. Esto significa que para alcanzar la dureza completa mediante temple se requiere una consideración cuidadosa del espesor de la sección. Generalmente, se requieren secciones más delgadas o medios de temple más agresivos (como el agua) que para aceros con mayor templabilidad. El diámetro crítico (DI) ideal lo ilustra; por ejemplo, un calor específico con 0,291 TP₃T C, 1,021 TP₃T Cr y 0,151 TP₃T Mo calculó un DI de 68,3 mm (2,69 pulg.).

3. Tratamiento térmico del acero de aleación 4130

El AISI 4130 es un acero de medio carbono y baja aleación, altamente versátil, conocido por su resistencia, tenacidad y soldabilidad. Sus principales elementos de aleación son el cromo y el molibdeno. Para aprovechar al máximo las capacidades del acero 4130 y adaptar sus propiedades mecánicas a aplicaciones específicas, es esencial un tratamiento térmico preciso. La respuesta del acero 4130 a diversos ciclos térmicos permite un amplio espectro de características de rendimiento.

3.1 Procesos comunes de tratamiento térmico para 4130

Basándose en una amplia experiencia en la industria y en datos técnicos, Aobo Steel describe los principales tratamientos térmicos aplicables al acero 4130:

3.1.1 Normalización

• Objetivo: Para refinar la estructura del grano del acero, mejorando la uniformidad y mejorando la maquinabilidad después del forjado o laminado.
• Proceso: Calentar el acero uniformemente a una temperatura de entre 870 °C y 925 °C (1600 °F a 1700 °F). Este rango es aproximadamente de 55 °C a 85 °C (100 °F a 150 °F) por encima de la temperatura crítica superior (Ac3), asegurando así la transformación completa a austenita. Mantener la temperatura durante el tiempo adecuado para asegurar la penetración del calor, normalmente 1 hora por cada 25 mm (1 pulgada) de espesor máximo, con un tiempo mínimo de mantenimiento que suele especificarse. Enfriar al aire en calma a temperatura ambiente.
• Post-normalización: Es una práctica común templar el acero 4130 normalizado a temperaturas de 480 °C (900 °F) o más para lograr requisitos de resistencia al rendimiento específicos.

3.1.2 Recocido

• Objetivo: Para producir la condición más suave posible para el acero 4130, maximizando la ductilidad para operaciones como el conformado en frío o el mecanizado complejo.
• Proceso: Calentar el acero a una temperatura de entre 830 °C y 870 °C (1525 °F y 1600 °F). Mantener esta temperatura durante un tiempo que dependerá del tamaño de la sección o de la carga del horno. Es fundamental enfriar muy lentamente dentro del horno, normalmente a una velocidad no superior a 15 °C por hora (30 °F por hora), hasta aproximadamente 480 °C (900 °F). Por debajo de esta temperatura, el enfriamiento puede continuar al aire. Este enfriamiento lento y controlado promueve la formación de una microestructura de perlita blanda y gruesa.

3.1.3 Temple y revenido (endurecimiento)

• Objetivo: Desarrollar alta resistencia, dureza y tenacidad, la condición más común para aplicaciones estructurales de 4130.
• Austenitización: Calentar el acero uniformemente a la temperatura de austenización adecuada. Esta suele estar entre 855 °C y 865 °C (1575 °F y 1600 °F), dependiendo de la composición exacta y el tamaño de la sección. Mantener la temperatura el tiempo suficiente para completar la austenización.
• Temple: Enfríe rápidamente el acero desde la temperatura de austenización. Debido a la templabilidad baja a intermedia del acero 4130, el medio de temple (agua, aceite o polímero) debe seleccionarse cuidadosamente en función del espesor de la sección del componente y las propiedades finales deseadas. El agua proporciona un enfriamiento más rápido y una mayor dureza en secciones más delgadas, pero aumenta el riesgo de distorsión. El temple en aceite es común para secciones de dureza moderada. Alcanzar la velocidad crítica de enfriamiento, especialmente en el rango de transformación de alrededor de 540 °C (1000 °F), es vital para obtener una estructura completamente martensítica, sobre todo en secciones más gruesas.
• Templado: Recalentar el acero templado a una temperatura específica inferior a la temperatura crítica inferior (Ac1). Las temperaturas de revenido para el acero 4130 suelen oscilar entre 205 °C y 705 °C (400 °F y 1300 °F). Mantener a la temperatura de revenido (normalmente al menos 2 horas) y luego enfriar (normalmente al aire). El revenido reduce la fragilidad de la martensita recién templada y establece el equilibrio final entre dureza, resistencia y tenacidad. Temperaturas de revenido más bajas producen mayor resistencia y dureza, mientras que temperaturas más altas aumentan la ductilidad y la tenacidad a expensas de la resistencia.

3.2 Consideraciones sobre templabilidad

La templabilidad del acero 4130 es un factor crítico. Describe la capacidad del acero para endurecerse en toda su sección transversal durante el temple.

• El 4130 tiene una templabilidad baja a intermedia en comparación con los aceros de mayor aleación.
• Espesor de la sección: La dureza alcanzable y la profundidad de endurecimiento dependen en gran medida del tamaño del componente. Las secciones más gruesas se enfrían más lentamente, especialmente en el núcleo, lo que puede resultar en una microestructura menos uniforme y una dureza del núcleo menor que la de la superficie.
• Diámetro Crítico Ideal (DI): Este valor calculado (p. ej., ~68 mm o ~2,7 pulgadas para una composición típica en condiciones ideales) indica el diámetro máximo teórico que se puede endurecer hasta el centro con un temple perfecto. En la práctica, con temples menos severos (aceite, polímero) se logrará un endurecimiento a menor profundidad.
• Severidad del temple: La selección cuidadosa del proceso de temple es vital para lograr las propiedades deseadas sin causar grietas o distorsión excesiva, particularmente en comparación con aceros con mayor contenido de carbono como 4140, que tienen mayor templabilidad pero también mayor riesgo de agrietamiento por temple.

3.3 Alivio del estrés

• Objetivo: Para reducir las tensiones internas inducidas por procesos de fabricación como el mecanizado pesado, el conformado en frío o la soldadura, que a menudo se realizan antes endurecimiento final o sobre piezas normalizadas/recocidas.
• Proceso: Calentar el acero uniformemente a una temperatura que suele estar entre 650 °C y 675 °C (1200 °F y 1250 °F). Mantener la temperatura durante el tiempo suficiente (p. ej., 1 hora por cada pulgada de espesor), seguido de un enfriamiento lento (generalmente en horno o aire).
• Nota importante: Si se realiza el alivio del estrés después Durante el temple y revenido, la temperatura de alivio de tensiones debe mantenerse por debajo de la temperatura de revenido original (generalmente al menos 15°C o 25°F más baja) para evitar afectar negativamente las propiedades mecánicas previamente establecidas.

4. Descripción general de las propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas finales del acero 4130 dependen directamente del tratamiento térmico aplicado. Las condiciones de temple y revenido ofrecen un amplio rango de valores alcanzables de resistencia a la tracción, límite elástico, alargamiento y dureza.

Es importante tener en cuenta el efecto de masa: las secciones transversales más grandes se enfrían más lentamente durante el enfriamiento, lo que da como resultado una menor dureza y resistencia en el núcleo en comparación con la superficie o en comparación con secciones más pequeñas que reciben el mismo tratamiento térmico.

Propiedades mecánicas típicas del acero 4130 tratado térmicamente

Temperatura de revenido		Resistencia a la tracción		Fuerza de fluencia		Alargamiento en 50 mm (2 pulg.), %	Reducción de área, %	Dureza, HB	Energía de impacto Izod
°C	°F	MPa	ksi	MPa	ksi				Yo	pies-libra
Templado y revenido en agua
205	400	1765	256	1520	220	10	33	475	18	13
260	500	1670	242	1430	208	11.5	37	455	14	10
315	600	1570	228	1340	195	13	41	425	14	10
370	700	1475	214	1250	182	15	45	400	20	15
425	800	1380	200	1170	170	16.5	49	375	34	25
540	1000	1170	170	1000	145	20	56	325	81	60
650	1200	965	140	830	120	22	63	270	135	100
Templado y revenido en aceite
205	400	1550	225	1340	195	11	38	450	—	—
260	500	1500	218	1275	185	11.5	40	440	—	—
315	600	1420	206	1210	175	12.5	43	418	—	—
370	700	1320	192	1120	162	14.5	48	385	—	—

Efectos de la masa en las propiedades típicas del acero 4130 tratado térmicamente

Tamaño de la barra	Resistencia a la tracción	Fuerza de fluencia	Alargamiento en 50 mm (2 pulg.), %	Reducción de área, %	Dureza superficial, HB
mm	MPa	ksi	MPa	ksi	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

Fuente: MANUAL DE ASM

5. Aplicaciones comunes

Gracias a su perfil de rendimiento confiable, el acero 4130 se utiliza en diversas industrias:

• Componentes automotrices (por ejemplo, ejes)
• Piezas estructurales que requieren buena resistencia y tenacidad.
• Ejes, engranajes y cojinetes que necesitan buena resistencia a la fatiga y al desgaste (a menudo en condiciones templadas)
• Aplicaciones que requieren alta tenacidad (en condiciones esferoidizadas)
• Procesos de endurecimiento por haz de electrones

Si bien no está clasificado como acero para herramientas primario, su versatilidad lo convierte en un material común en las salas de herramientas.

6. Equivalentes de normas internacionales

El acero 4130 corresponde a designaciones en varias normas internacionales:

• ASTM: A322, A29/A29M
• SAE: J404
• JIS (Japón): SCM 425, SCM 430