Descripción técnica del acero 4340

Descripción técnica del acero 4340: El acero 4340 es un acero popular de medio carbono y baja aleación. Es conocido por su alta resistencia, alta templabilidad y tenacidad, logradas mediante tratamientos térmicos 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, incluyendo componentes como engranajes, estrías y ejes.

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

Propiedades mecánicas típicas del acero 4340 después del temple en aceite a 845 °C (1550 °F) y revenido a varias temperaturas

Temperatura de revenido	Resistencia a la tracción	Fuerza de fluencia	Alargamiento en 50 mm (2 pulg.)	Reducción de área	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 ejesLa alta resistencia y tenacidad del acero 4340 lo hacen ampliamente utilizado en la fabricación de engranajes y estrías que deben soportar grandes cargas de torque e impacto. También se emplea en la fabricación de ejes para otras máquinas donde la resistencia a la fatiga y la tensión torsional son esenciales.
• Componentes de aeronavesLa capacidad del acero 4340 tratado térmicamente para lograr una alta relación resistencia-peso lo hace ideal para estructuras aeronáuticas específicas, como componentes del tren de aterrizaje y partes del fuselaje, donde las fallas en condiciones extremas son inevitables. Es importante destacar que se requieren rigurosas pruebas y controles de calidad, como pruebas transversales de propiedades mecánicas, para las aeronaves.
• Piezas de automoción:Algunas aplicaciones del acero 4340 pueden incluir piezas de automóviles de alta demanda donde la resistencia y la durabilidad son importantes, como ciertos tipos de ejes y componentes de suspensión.
• Herramientas y matrices:Si bien el 4340 no suele ser un "acero para herramientas" primario como los aceros con alto contenido de carbono o de alta velocidad, su combinación de resistencia y tenacidad puede hacerlo útil para algunas aplicaciones de herramientas, como matrices de pinzas y matrices de forja, principalmente para tiradas de producción más cortas o servicios menos severos donde la resistencia extrema al desgaste no es primordial.
• Componentes de la industria del petróleo y el gasLa alta 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 altas tensiones. Por ejemplo, podría utilizarse en tuberías y válvulas para la recolección y refinación de petróleo.
• Aplicaciones de rodamientos:52100 se usa con frecuencia para cojinetes, pero para algunas aplicaciones con tolerancias más estrictas o de menor rendimiento, aún se consideraría 4340, especialmente en condiciones carburizadas, donde se necesita un equilibrio entre resistencia y tenacidad.
• Pernos y fijaciones de alta resistenciaDebido a su capacidad para alcanzar altos niveles de resistencia mediante tratamiento térmico, el acero 4340 es un candidato para pernos y sujetadores de alta resistencia en escenarios críticos o de alto estrés.
• Maquinaria y componentes estructuralesEl acero 4340 se utiliza comúnmente como acero de alta resistencia para maquinaria, aunque también puede emplearse en una amplia variedad de componentes estructurales y mecánicos que requieren una resistencia moderada a alta y buena tenacidad. Por ejemplo, piezas para equipos pesados, maquinaria industrial u otras aplicaciones de ingeniería de alta exigencia.

4. Tratamiento térmico

4.1 Precalentamiento

Este paso es útil para limitar el choque térmico del acero en la siguiente etapa de austenización a alta temperatura. Mejora la uniformidad general del calentamiento y reduce el riesgo de agrietamiento, especialmente en áreas del componente con geometrías complejas o secciones transversales variables. Para el acero 4340, una temperatura de precalentamiento común sería de 650 °C (1200 °F) durante un breve período para que la pieza alcance una temperatura uniforme. Este paso también puede ayudar a relajar algunas tensiones inducidas durante procesos de fabricación previos, como el mecanizado.

4.2 Austenitización

La austenización es el proceso clave y consiste en calentar el acero a una temperatura alta seleccionada, generalmente entre 815 y 855 °C (1500 y 1575 °F), manteniéndola durante un tiempo de reposo suficiente para que la microestructura transforme el 100% en austenita. El espesor de las secciones determinará la temperatura de austenización específica y el tiempo de mantenimiento. El objetivo es lograr una estructura austenítica homogénea antes de la siguiente etapa.

4.3 Enfriamiento

Tras la austenización, el acero debe enfriarse con la suficiente rapidez para convertir la austenita en martensita, una fase de alta resistencia y frecuentemente frágil. El temple en aceite es el método más común para el acero 4340, ya que permite lograr un buen equilibrio de dureza y minimizar la distorsión y el agrietamiento. Sin embargo, para secciones más grandes (p. ej., de más de 75 mm (3 pulgadas) de diámetro), se puede utilizar el temple en agua para obtener un endurecimiento completo, aunque esto aumenta considerablemente la probabilidad de agrietamiento. Es importante mencionar que, si es necesario enderezar la pieza debido a la distorsión durante el temple, a menudo se puede realizar mientras la temperatura del acero aún supera los 205 °C (400 °F).

4.4 Revenido

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

4.5 Alivio del estrés (opcional, recomendado)

Para reducir las tensiones residuales del mecanizado, conformado o soldadura, considere un tratamiento de alivio de tensiones antes del proceso de temple (para evitar una distorsión excesiva durante el mismo) o después del temple (pero por debajo de la temperatura de revenido para no afectar la dureza del revenido). Para el acero, un rango 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 espesor de la sección.

4.6 Tratamiento Subzero (Opcional)

Si la estabilidad dimensional es fundamental, los componentes pueden someterse a un tratamiento a temperaturas bajo cero (refrigeración de -87 a -60 °C o de -125 a -75 °F) después del temple y antes del revenido para convertir la austenita restante en martensita. A continuación, se realiza el 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 4340?

La diferencia clave entre 4140 La ventaja del acero 4340 reside en la adición de níquel, lo que, junto con un contenido ligeramente superior de molibdeno en algunas especificaciones, mejora la templabilidad, la resistencia y la tenacidad en comparación con el 4140. Esto hace que el 4340 sea más adecuado para aplicaciones de mayor tensión y componentes de mayor tamaño. Al elegir entre ambos, es fundamental considerar los requisitos específicos de las propiedades mecánicas y las dimensiones de la pieza en relación con las características de templabilidad de cada grado de acero.