Acero aleado 4140 | 42CRMO4 | SCM440

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El acero de aleación 4140 es Un acero de aleación Cr-Mo versátil que ofrece buena resistencia, tenacidad y templabilidad, lo que lo hace apto para condiciones de servicio moderadamente severas tras un tratamiento térmico adecuado. Está clasificado con cromo y molibdeno como sus principales elementos de aleación.

1. Composición química del acero de aleación 4140

  • Carbono (C): Su rango va de 0,38% a 0,43%. Su mayor contenido de carbono en comparación con el acero 4130 contribuye a su mayor templabilidad y resistencia.
  • Manganeso (Mn): Generalmente dentro del rango de 0,75% a 1,00%.
  • Silicio (Si): Generalmente entre 0,15% y 0,35%.
  • Cromo (Cr): El rango varía de 0,801TP³T a 1,101TP³T. Algunas normas pueden mostrar un rango de 0,901TP³T a 1,201TP³T.
  • Molibdeno (Mo): Generalmente, de 0,151 TP3T a 0,251 TP3T. Otras normas pueden indicar valores de 0,151 TP3T a 0,301 TP3T. El molibdeno contribuye a obtener una microestructura fina deseable tras el trabajo en caliente y el tratamiento térmico.
  • Fósforo (P): Máximo de 0,035%.
  • Azufre (S): Máximo de 0,0401 TP³T. Algunas normas específicas pueden indicar un máximo de 0,0351 TP³T.

2. Propiedades físicas

Propiedades físicas del acero de aleación 4140 (42CrMo4) frente a la temperatura

Temperatura (°C)

Temperatura (°F)

Conductividad térmica (W/m·K)

Capacidad calorífica específica media (kJ/kg·K)

Coeficiente medio de expansión lineal (x 10⁻⁶ K⁻¹)

Densidad (kg/m³)

Módulo de Young (x 10⁵ MPa)

20

68

46.71

472.91

11.28

7848.2

211.6

100

212

46.06

486.33

11.67

7820.7

203.1

200

392

45.59

499.21

12.32

7790.2

197.5

300

572

43.47

519.18

12.85

7757.4

193.7

400

752

40.7

543.45

13.37

7722.3

188.6

500

932

37.67

570.3

13.9

7684.7

180.2

600

1112

34.63

599.31

14.42

7644.5

167.0

3. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas del acero de aleación 4140 se pueden adaptar significativamente a través de tratamiento térmicoEl proceso más común, temple y revenido, se utiliza ampliamente para piezas de maquinaria, recipientes a presión y aplicaciones estructurales para mejorar el límite elástico, la resistencia a la tracción y la tenacidad a la entalla más allá de lo que se puede lograr en estados laminados, recocidos o normalizados.

3.1 Acero 4140 templado y revenido

Cuando el acero 4140 se templa en aceite y luego se revene a diversas temperaturas, sus propiedades mecánicas cambian de forma predecible. Esto permite un control preciso de las características finales del acero para satisfacer las demandas operativas específicas. A continuación, se presenta un resumen de las propiedades mecánicas típicas obtenidas a diferentes temperaturas de revenido:

Tabla 1: Propiedades mecánicas típicas del acero de aleación 4140 templado y revenido en aceite

Temperatura de revenido

Resistencia a la tracción (MPa)

Límite elástico (MPa)

Elongación (%)

Reducción de área (%)

Dureza (HB)

205 °C (400 °F)

1965 – 1980

1740 – 1860

11

39 – 42

520 – 578

260 °C (500 °F)

1860

1650

11

44

534

315 °C (600 °F)

1720 – 1760

1570 – 1620

11.5 – 12

44 – 46

490 – 495

425 °C (800 °F)

1450 – 1500

1340 – 1365

14 – 15

48 – 50

429 – 440

540 °C (1000 °F)

1150 – 1240

1050 – 1160

17 – 17.5

53 – 55

341 – 360

595 °C (1100 °F)

1020

910

19

58

311

650 °C (1200 °F)

900 – 1020

790 – 860

20 – 21

60 – 61

277 – 290

705 °C (1300 °F)

810 – 860

690 – 740

23

63 – 65

235 – 250

Nota: Los valores pueden variar según las prácticas específicas del molino y ligeras diferencias de composición. HB indica dureza Brinell.

3.2 Influencia del tamaño de la sección (efecto de masa) en las propiedades del acero 4140

Es importante considerar el tamaño de la sección, o la masa, del componente de acero 4140 durante la especificación del tratamiento térmico, especialmente si se buscan altos niveles de resistencia. El AISI 4140 no es un acero de temple profundo, lo que significa que las secciones más grandes podrían no alcanzar la misma dureza o resistencia que las secciones más pequeñas al someterse al mismo tratamiento térmico.

La siguiente tabla ilustra el efecto del diámetro de la barra en las propiedades mecánicas del acero 4140 templado en aceite a 845 °C (1550 °F) y revenido a 540 °C (1000 °F):

Tabla 2: Efecto del diámetro de la barra en las propiedades mecánicas del acero 4140 (templado a 540 °C/1000 °F)

Diámetro de la barra

Resistencia a la tracción (MPa)

Límite elástico (MPa)

Elongación (%)

Reducción de área (%)

Dureza superficial (HB)

25 mm (1 pulgada)

1140

985

15

50

335

50 mm (2 pulg.)

920

750

18

55

202

75 mm (3 pulgadas)

860

655

19

55

293

Comprender este efecto de masa es crucial para diseñar componentes que funcionen de manera confiable.

3.3 Propiedades mecánicas del acero 4140 en otras condiciones

Además del temple y revenido, el acero de aleación 4140 se puede suministrar o procesar en otras condiciones:

3.3.1 Acero recocido 4140

El recocido, que consiste en calentar el acero a una temperatura de entre 830 °C y 870 °C (1525 °F y 1600 °F), seguido de un enfriamiento lento en el horno, produce un material más blando y dúctil. Esta condición suele ser la preferida para operaciones de mecanizado posteriores.

  • Laminado en caliente, recocido 4140: generalmente exhibe un límite elástico de alrededor de 434 MPa (63 ksi) y una resistencia a la tracción de 620 MPa (90 ksi), con un alargamiento de aproximadamente 27%.
  • 4140 estirado en frío y recocido: generalmente muestra una mayor resistencia, con un límite elástico típico de 620 MPa (90 ksi) y una resistencia a la tracción de 703 MPa (102 ksi) y un alargamiento de alrededor de 18%.

3.3.2 Acero normalizado 4140

La normalización implica calentar el acero 4140 a una temperatura de entre 845 °C y 925 °C (1550 °F y 1700 °F), seguido de enfriamiento por aire. Este proceso refina la estructura del grano y mejora la uniformidad. Por ejemplo, una pieza forjada de bonete de válvula de acero 4140, normalizada a 870 °C (1600 °F) y posteriormente templada, puede alcanzar una dureza de entre 220 y 240 HB.

3.4 Templabilidad del acero de aleación 4140

Una característica clave del acero de aleación 4140 es su buena templabilidad, es decir, su capacidad de endurecerse mediante tratamiento térmico. Esta es una medida de la profundidad de endurecimiento del acero al ser templado. Para aplicaciones especializadas, los grados de acero 4140H ofrecen características de templabilidad garantizadas, a menudo verificadas mediante la prueba de temple final Jominy, con requisitos como una dureza mínima de 49 HRC a distancias Jominy específicas.

acero de aleación 4140
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4. Tratamiento térmico

Para lograr el máximo rendimiento en aplicaciones de acero de aleación 4140, es fundamental un tratamiento térmico preciso y adecuado. Como acero de aleación de cromo-molibdeno versátil, el 4140 ofrece una excelente combinación de resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste cuando se procesa correctamente. 

4.1 Procesos de tratamiento térmico para acero de aleación 4140

Se pueden aplicar varios tratamientos térmicos estándar al acero de aleación 4140 para lograr una amplia gama de propiedades mecánicas. La selección del proceso correcto es crucial para la aplicación final.

4.1.1 Normalización del acero 4140

La normalización se emplea a menudo como tratamiento de acondicionamiento previo al tratamiento térmico final o para refinar la estructura granular de componentes sometidos a un enfriamiento no uniforme a altas temperaturas. Este proceso mejora la homogeneidad y las propiedades mecánicas del acero 4140.

  • Temperatura de calentamiento: 845 °C a 925 °C (1550 °F a 1700 °F). Un rango específico común es de 870 °C a 900 °C (1600 °F a 1650 °F).
  • Tiempo de mantenimiento: mínimo 1 hora, o 15-20 minutos por cada 25 mm (1 pulgada) de espesor máximo de sección.
  • Enfriamiento: Aire frío.

4.1.2 Recocido de acero 4140

El recocido se utiliza principalmente para ablandar el acero de aleación 4140, mejorando su maquinabilidad y aliviando las tensiones internas. Este tratamiento da como resultado un material más dúctil.

  • Temperatura de calentamiento: Normalmente de 830 °C a 870 °C (de 1525 °F a 1600 °F). Un rango alternativo para alcanzar una dureza máxima de 197 HB es de 790 °C a 845 °C (de 1450 °F a 1550 °F).
  • Tiempo de mantenimiento: depende del espesor de la sección o de la carga del horno.
  • Enfriamiento: El horno se enfría a una velocidad controlada de aproximadamente 15 °C/h (30 °F/h) hasta 480 °C (900 °F), seguido de enfriamiento por aire.
  • Dureza esperada: Aproximadamente 150-200 HB en estado recocido.

4.1.3 Esferoidización del acero 4140 para mejorar la maquinabilidad

La esferoidización crea una microestructura de carburos globulares dentro de una matriz ferrítica, que es óptima para la maquinabilidad del acero 4140.

  • Temperatura de calentamiento: 760°C a 775°C (1400°F a 1425°F).
  • Tiempo de conservación: 4 a 12 horas.
  • Enfriamiento: Enfriamiento lento. Nota: La esferoidización completa puede implicar austenitizante a temperaturas ligeramente superiores a Ac1 o intermedias entre Ac1 y Ac3, seguido de un enfriamiento o mantenimiento muy lento.

4.1.4 Endurecimiento del acero de aleación 4140: Temple y revenido

El método más común para lograr alta resistencia y tenacidad en el acero de aleación 4140 es a través de temple y templadoEste tratamiento térmico de acero de aleación 4140 de dos etapas es fundamental para aplicaciones exigentes.

a. Austenitización (calentamiento para endurecimiento). 

  • Temperatura de calentamiento del horno: 830 °C a 855 °C (1525 °F a 1575 °F).
  • Temperatura de calentamiento por inducción: Se recomienda de 870 °C a 900 °C (1600 °F a 1650 °F) para el endurecimiento por inducción.
  • Rango de endurecimiento general: 860 °C a 885 °C (1575 °F a 1625 °F).
  • Tiempo de remojo: una guía general es de 5 minutos por pulgada (25 mm) de la sección transversal más pequeña una vez que la pieza alcanza la temperatura.

b. Enfriamiento. 

  • Medio de temple: El aceite es el medio preferido para el acero 4140. El temple con agua es posible, pero aumenta el riesgo de agrietamiento y distorsión debido al contenido de carbono del acero; si se utiliza, se requiere extrema precaución.
  • Paso crítico posterior al temple: el revenido debe iniciarse tan pronto como las piezas se enfríen a 52 °C a 65 °C (125 °F a 150 °F) para evitar el agrietamiento.
  • Control de distorsión: para secciones planas o tubulares, la inmersión vertical durante el enfriamiento puede ayudar a minimizar la tensión y la distorsión.

c. Templado del acero 4140.

  • Proceso: Calentar la parte templada a una temperatura específica por debajo del punto crítico (Ac1), mantenerla durante un tiempo suficiente y luego enfriar.
  • Tiempo de mantenimiento: normalmente 2 horas por pulgada (25 mm) de sección transversal.
  • Rango de “Fragilidad azul”: Evite templar el acero 4140 entre 230 °C y 370 °C (450 °F y 700 °F) ya que esto puede reducir la tenacidad.

4.2 Templabilidad en acero 4140

La templabilidad se refiere a la profundidad a la que el acero puede endurecerse durante el temple. El cromo y el molibdeno del acero de aleación 4140 contribuyen significativamente a su templabilidad. Es fundamental reconocer que las propiedades mecánicas, especialmente en secciones transversales grandes, pueden variar desde la superficie hasta el núcleo debido a las diferencias en las velocidades de enfriamiento. 

4.3 Tratamientos térmicos especializados para acero de aleación 4140

Más allá de los procesos primarios, se pueden aplicar otros tratamientos al acero 4140 para requisitos específicos:

a. Alivio del estrés:

  • Propósito: Reducir las tensiones internas inducidas por el mecanizado, conformación o enderezado, especialmente antes del endurecimiento.
  • Temperatura: 650 °C a 675 °C (1200 °F a 1250 °F). Si se aplica a material endurecido, la temperatura de alivio de tensiones no debe superar la temperatura de revenido previa.

b. Endurecimiento por inducción:

  • Propósito: Una técnica de endurecimiento superficial que mejora significativamente la resistencia al desgaste y el límite elástico superficial, creando una carcasa dura sobre un núcleo más resistente. Se utiliza a menudo en pasadores, ejes y otros componentes de alto rendimiento tras un temple y revenido primarios.
  • Temperatura de austenitización (inducción): 870 °C a 900 °C (1600 °F a 1650 °F).
  • Templado (inducción): implica ciclos muy cortos; el tiempo y la temperatura son críticos.

c. Nitruración:

  • Propósito: Un proceso de endurecimiento de la superficie que introduce nitrógeno en la superficie del acero, mejorando la resistencia al desgaste y, a menudo, mejorando la vida útil por fatiga. El acero 4140 es fácilmente nitrurable.
  • Temperatura: Normalmente alrededor de 520 °C a 550 °C (970 °F a 1020 °F) durante períodos prolongados en una atmósfera rica en nitrógeno.

5. Aplicaciones del acero de aleación 4140

Las aplicaciones del acero de aleación 4140 se benefician plenamente del tratamiento térmico. Procesos como el temple y el revenido desarrollan una amplia gama de propiedades mecánicas. 

5.1 Usos industriales del acero de aleación 4140

Las propiedades inherentes del acero 4140 lo hacen excepcionalmente adecuado para una amplia gama de componentes en diversas industrias. A continuación, se presenta un desglose de las aplicaciones típicas del acero de aleación 4140:

Categoría de aplicación

Ejemplos específicos

Propiedades clave utilizadas 4140

Componentes de maquinaria

Ejes (uso principal), ejes, engranajes, husillos, acoplamientos, cigüeñales, bielas, tapas de válvulas, cuerpos de mandril, pinzas

Alta resistencia a la tracción y al rendimiento, buena tenacidad, resistencia al desgaste, templabilidad moderada.

Herramientas y accesorios

Plantillas, accesorios, portaherramientas, collarines de perforación, pernos, espárragos, piezas de transportador

Buena resistencia, durabilidad y maquinabilidad (especialmente grados preendurecidos o modificados)

Automotriz y aeroespacial

Ejes, cigüeñales, manguetas de dirección, piezas estructurales de alta resistencia

Relación resistencia-peso, Resistencia a la fatiga, Tenacidad

Industria del petróleo y el gas

Herramientas de perforación de pozos, juntas de herramientas, ejes de bombas

Resistencia bajo tensión, resistencia al desgaste y corrosión moderada.

Piezas endurecidas superficialmente

Componentes que requieren una mayor durabilidad de la superficie

Excelente para nitruración (mejor que 4337, 4340, 8640), adecuado para endurecimiento por inducción y llama.

5.2 Adaptación del acero 4140 a aplicaciones específicas

Tratamiento térmico y templabilidad:

Una buena templabilidad es fundamental para muchas aplicaciones de acero de aleación 4140, ya que garantiza una dureza suficiente en toda la sección transversal de la pieza. Si bien no presenta un endurecimiento tan profundo como el de aleaciones como la 4340, ofrece un excelente equilibrio para componentes de diversos tamaños. El acero 4140 pretemplado (normalmente 262-321 HB) es popular para piezas de maquinaria y herramientas debido a sus altos límites de tensión y elasticidad, listos para usar, lo que a menudo elimina la necesidad de un tratamiento térmico adicional por parte del usuario final.

Capacidades de endurecimiento de superficies:

Para una resistencia superior al desgaste superficial, el acero de aleación 4140 ofrece excelentes características de endurecimiento superficial. Es especialmente adecuado para la nitruración, superando con frecuencia a otros aceros con cromo gracias a su mayor contenido de cromo y a su composición sin níquel. El endurecimiento superficial por inducción y llama también son métodos comunes para mejorar las superficies de los componentes 4140.

Consideraciones de maquinabilidad:

Si bien el acero 4140 estándar ofrece una maquinabilidad razonable, para aplicaciones que priorizan la facilidad de mecanizado, existen calidades modificadas. Las versiones resulfuradas (p. ej., 4140+S) y las variantes con plomo (p. ej., 41L40) son aceros de baja aleación de fácil mecanización que ofrecen un mecanizado mejorado para la producción a gran escala.

Soldabilidad:

El acero de aleación 4140 es soldable, pero su naturaleza de endurecimiento al aire y su mayor equivalente de carbono requieren procedimientos específicos como precalentamiento, alivio de tensiones posterior a la soldadura (p. ej., recocido o normalizado y revenido) y materiales de aporte adecuados para prevenir el agrietamiento y garantizar soldaduras sólidas. Su diseño se centró en una alta resistencia mediante tratamiento térmico, no en una soldabilidad óptima.

Formularios y especificaciones disponibles:

Para servir a diversas aplicaciones de acero de aleación 4140, este grado está disponible en varias formas:

  • Billetes
  • Barras (redondas, cuadradas, planas)
  • Varillas
  • Forjados
  • Hoja
  • Tubería
  • Placa de luz

Las especificaciones de materiales aeroespaciales (AMS) específicas incluyen:

  • AMS 6349B: Barras normalizadas
  • AMS 6381E, AMS 6390C: Tubería mecánica
  • AMS 6382K: Barras, piezas forjadas y anillos

6. Grados equivalentes para el acero de aleación 4140 

  • Europa (EN/DIN): 42CrMo4 o 1.7225
  • Japón (JIS): SCM440
  • China (GB/T): 42CrMo
  • Gran Bretaña (BS): EN19 (o 708M40/709M40)

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