Descripción técnica del acero 4140

El acero 4140 es un acero versátil de baja aleación con contenido medio de carbono. Contiene cromo y molibdeno como principales elementos de aleación. Este acero es conocido por su buena templabilidad, lo que le permite alcanzar alta resistencia y dureza mediante tratamientos térmicos como el temple y el revenido. Se utiliza comúnmente 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 ablandamiento, el normalizado para mejorar la microestructura y lograr una resistencia moderada, y el temple seguido de revenido para lograr las propiedades mecánicas deseadas.

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

Gracias a sus propiedades, el acero 4140 se utiliza en diversos componentes de ingeniería exigentes gracias a su buena templabilidad, alto potencial de resistencia y dureza, y una buena tenacidad con un tratamiento térmico adecuado. A continuación, se detallan las aplicaciones según estas propiedades:

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

• Piezas de motores y máquinas de automóviles sometidas a cargas estáticas y dinámicas, como cigüeñales. La alta dureza alcanzada tras el temple lo hace idóneo para estas exigentes aplicaciones.
• Piezas de maquinaria con secciones transversales grandes que permiten obtener una alta resistencia tras el refinamiento. Su buena templabilidad permite el temple completo en espesores considerables.
• Componentes para condiciones de servicio moderadamente severas donde se necesita un equilibrio entre resistencia y tenacidad.
• Engranajes que requieren un temple pasante para conseguir la resistencia y resistencia al desgaste necesarias.
• Pasadores y ejes en diversas aplicaciones de ingeniería, donde la alta resistencia y tenacidad son cruciales. Para aplicaciones de mayor resistencia, se pueden templar y revener para alcanzar resistencias internas de entre 100 y 140 kgf/mm².
• Los componentes requieren resistencia al desgaste, lo que los hace adecuados para técnicas de endurecimiento de superficies como el endurecimiento por llama y por inducción.
• Piezas de automóvil de alta demanda, como ejes, que se benefician de su resistencia y templabilidad.
• Tubos de acero aleado para aplicaciones generales y estructurales, donde su resistencia después del tratamiento térmico es ventajosa.
• Las barras y piezas forjadas para diversos fines de ingeniería a menudo se tratan térmicamente hasta alcanzar niveles de resistencia específicos.

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

• Los engranajes que requieren una caja profunda y una dureza de superficie 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 de superficie dura y resistente al desgaste.

2.3 Aplicaciones de herramientas:

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

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 variar de 483 a 690 dependiendo del contenido de carbono.	Puede variar entre 70,0 y 100,0 dependiendo 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
Dibujado a 1000°F (540 °C)	Aproximadamente 903-1054	Aproximadamente 131-153

3.2 Límite elástico (desplazamiento de 0,21 TP3T) del acero 4140

Condición	Límite elástico (MPa)	Límite elástico (ksi)
Recocido	Aproximadamente 201-434 dependiendo del contenido de carbono	Aproximadamente 29,1-63 dependiendo del contenido de carbono
Normalizado	Puede variar de 247 a 355 dependiendo del contenido de carbono.	Puede variar entre 35,8 y 51,5 dependiendo del 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
Dibujado a 1000°F (540 °C)	Aproximadamente 903-1054	Aproximadamente 131-153

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

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

3.4 Dureza del acero 4140

Condición	Valor de dureza
Recocido	Aproximadamente 185 HB
Recién templado	Puede alcanzar alrededor de 601 HB
Templado y revenido	Varía ampliamente con la temperatura de revenido, desde alrededor de 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 aumento de la temperatura de revenido.
Energía de impacto Izod	Templado y revenido	Por ejemplo, la energía de impacto Izod puede variar de 15 J (11 ft·lb) a 205 °C (400 °F) a 136 J (100 ft·lb) a 705 °C (1300 °F).
Charpy con muesca 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 entalladuras y transiciones en piezas de máquinas sometidas a cargas de fatiga.
Templado y revenido (dureza 46-50 HRC)	La resistencia a la fatiga bajo flexión rotatoria puede ser de alrededor de 270 MPa (39 ksi).
Granallado (después de preguntas y respuestas)	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 corte	Varilla de temple H04	Puede variar de 200 a 205 MPa (29 a 32 ksi) dependiendo del diámetro.

4. Tratamiento térmico

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

• Calentamiento: Calentar el acero 4140 a una temperatura de 830 a 870 °C (1525 a 1600 °F), asegurando un calentamiento uniforme en toda la sección. Generalmente, se recomienda un calentamiento lento para aceros aleados a fin de minimizar las tensiones térmicas.
• Mantenimiento (Remojo): Mantener esta temperatura durante un tiempo suficiente. El tiempo de mantenimiento suele depender del espesor de la sección de la pieza o de la carga del horno.
• Enfriamiento: Enfríe lentamente el acero en el horno a una velocidad de aproximadamente 15 °C/h (30 °F/h) hasta alcanzar unos 480 °C (900 °F), seguido de un enfriamiento al aire hasta alcanzar la temperatura ambiente. Este enfriamiento lento permite la formación de una microestructura más blanda. La dureza máxima alcanzable tras el recocido es de aproximadamente 197 HB4. También se pueden emplear 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 NormalizaciónEste tratamiento refina la estructura del grano, mejora la uniformidad y aumenta la resistencia y la dureza en comparación con el estado recocido. Los pasos son los siguientes:

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

El acero 4140 normalizado a 870 °C (1600 °F) exhibe una estructura de grano refinada, lo que mejora la resistencia y la dureza en comparación con su estado original de forja o laminado en caliente. Sirve como tratamiento térmico preparatorio habitual antes del temple y revenido para lograr las propiedades mecánicas finales deseadas para las aplicaciones específicas de su fábrica. La dureza exacta después de la normalización dependerá de las dimensiones de la pieza y de la velocidad de enfriamiento alcanzada. Recuerde que este estado normalizado suele ser un paso intermedio, y que normalmente se requiere un tratamiento térmico adicional, como el revenido, para optimizar el equilibrio entre resistencia, ductilidad y tenacidad para las condiciones de servicio previstas.

4.3 Endurecimiento (temple)Este proceso busca lograr una estructura martensítica dura. Implica:

• Precalentamiento (opcional pero recomendado): para el acero 4140, un precalentamiento a alrededor de 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.
• Austenización: Calentar el acero a la temperatura de austenización, generalmente entre 845 y 925 °C (1550 y 1700 °F). Algunas fuentes especifican una temperatura de 855 °C (1575 °F). Mantener a esta temperatura durante el tiempo de remojo suficiente para asegurar la transformación completa en austenita, que depende del espesor de la sección (p. ej., añadir 5 minutos por cada pulgada de sección transversal más pequeña después de alcanzar la temperatura de austenización). El remojo excesivo, especialmente a temperaturas más altas, puede provocar un crecimiento indeseable del grano de austenita.
• Temple: Enfriar rápidamente el acero desde la temperatura de austenización con un agente de temple adecuado. Para el acero 4140, el temple en aceite es el método más común y recomendado para lograr el endurecimiento, minimizando el riesgo de agrietamiento asociado con agentes de temple más rápidos como el agua. Sin embargo, el temple en agua puede utilizarse para secciones más grandes, dependiendo de los requisitos de templabilidad. La eficacia del temple depende de la temperatura del agente de temple. Si se toma acero 4140 recocido a 1600 °F y luego se templa en aceite desde la temperatura de austenización adecuada, se obtendrá una alta dureza y resistencia características de la martensita, pero el material será frágil con baja ductilidad y tenacidad. Un proceso de revenido posterior sería necesario para la mayoría de las aplicaciones de ingeniería.

4.4 RevenidoLa martensita endurecida es generalmente frágil y presenta tensiones internas. El revenido se realiza para reducir la fragilidad, aliviar estas tensiones y mejorar la tenacidad, manteniendo la dureza y la resistencia adecuadas. Los pasos son los siguientes:

• Calentamiento: Recalentar el acero templado a una temperatura de revenido específica, siempre inferior a la temperatura de austenización. La temperatura de revenido del acero 4140 suele oscilar entre 205 y 705 °C (400 y 1300 °F), según las propiedades mecánicas deseadas. Es fundamental que el revenido se realice en cuanto las piezas alcancen entre 52 y 65 °C (125 y 150 °F) tras el temple para evitar el agrietamiento. Generalmente, se evita el revenido entre 230 y 370 °C (450 y 700 °F) del acero 4140 para evitar la fragilidad azul.
• Mantenimiento: Se mantiene la temperatura de revenido durante un tiempo específico, generalmente de 1 a 2 horas (18) o 2 horas por pulgada (25 mm) de sección transversal. Esto permite la difusión del carbono y los 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 después del revenido no suele ser crítica. A menudo, se puede utilizar un segundo ciclo de revenido a una temperatura ligeramente inferior.

4.5 EsferoidizaciónEste es un proceso de recocido especializado que produce una microestructura de carburos globulares en una matriz ferrítica, lo que resulta en una blandura máxima y una mejor conformabilidad. En el caso del acero 4140, esto se logra mediante un calentamiento a una temperatura de 760 a 775 °C (1400 a 1425 °F) y un mantenimiento de 4 a 12 horas, seguido de un enfriamiento lento.

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

• Temple por inducción: Consiste en calentar rápidamente la capa superficial hasta la temperatura de austenización mediante una bobina de inducción, seguido de un temple. Esto crea una capa superficial dura. Tras el temple por inducción, se suele realizar el revenido.
• Nitruración: Este es un proceso termoquímico que introduce nitrógeno en la superficie del acero a temperaturas relativamente bajas, formando compuestos de nitruro duros y mejorando la resistencia al desgaste y a la fatiga. A menudo se realiza un revenido previo a la nitruración.

5. Acero 4140 frente a acero D2

• El acero 4140 es la opción ideal para componentes estructurales y de maquinaria que requieren un buen equilibrio entre resistencia y tenacidad, con una resistencia moderada al desgaste que puede mejorarse. Ofrece versatilidad mediante diversos tratamientos térmicos, incluido el endurecimiento superficial.
• Acero D2 Es la opción ideal para aplicaciones de herramientas que exigen 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 esto conlleva una menor tenacidad en comparación con el 4140.
• En resumen, el acero 4140 es probablemente la mejor opción para piezas de maquinaria que requieren alta resistencia y tenacidad. Si trabaja con herramientas que requieren una resistencia excepcional al desgaste y la abrasión, el acero D2 sería más adecuado.

6. Acero 4140 vs. 4130

• El acero 4140 posee un mayor contenido de carbono, lo que resulta en mayor templabilidad, resistencia y dureza después del tratamiento térmico en comparación con el 4130. Normalmente se templa en aceite.
• El acero 4130 tiene un menor contenido de carbono, lo que resulta en una templabilidad entre baja y intermedia, y generalmente en una resistencia y dureza inferiores a las del acero 4140 tras tratamientos térmicos similares. Suele templarse en agua.
• En resumen, si una mayor resistencia es fundamental, el acero 4140 suele ser la opción preferida. Si una resistencia moderada con una posible mejor soldabilidad o maquinabilidad es suficiente, y el tamaño de la sección es una limitación importante para el endurecimiento, se podría considerar el acero 4130.

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

8. Aluminio 7075 frente a acero 4140

• El acero 4140 ofrece mayor resistencia y dureza que el aluminio 7075, además de buena tenacidad. Además, es más denso y más fácil de soldar (con precauciones). Requiere tratamiento térmico para alcanzar sus propiedades óptimas y es susceptible a la corrosión.
• El aluminio 7075 ofrece una densidad significativamente menor y una alta resistencia, lo que lo hace ventajoso en aplicaciones sensibles al peso. Presenta buena resistencia a la corrosión, pero generalmente es más difícil de soldar. Su resistencia se logra mediante temples específicos de tratamiento térmico.

9. Acero 4140 para cuchillos

El acero 4140 puede tratarse térmicamente para alcanzar la dureza necesaria para la hoja de un 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 conviene explorar las aleaciones de acero inoxidable. Si la resistencia y la tenacidad son los requisitos principales y se puede controlar la corrosión, podría considerar el acero 4140, pero es crucial prestar especial atención al tratamiento térmico.