Comprender el acero 4140: De las propiedades metalúrgicas a las aplicaciones

El acero 4140 es un acero de baja aleación con gran resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste. Pertenece a la serie de aceros aleados del Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) y es muy versátil. Tiene una amplia gama de usos en diversas industrias. Estas son algunas de las principales propiedades, aplicaciones y consideraciones del acero 4140.

¿Qué es el acero 4140?

El 4140 es un acero de baja aleación cuyos principales elementos de aleación son el carbono, el cromo y el molibdeno. Esta composición química confiere al acero 4140 elevadas propiedades mecánicas y cierta resistencia a la corrosión. La dureza y la tenacidad del acero 4140 pueden modificarse mediante diversos procesos de tratamiento térmico, como el temple y el revenido. Tiene un buen rendimiento en relación con su precio y por ello encuentra un campo de aplicación muy amplio entre todos los aceros utilizados en la industria.

Composición química

La composición química del acero AISI 4140 es la siguiente.

Fe	C	Cr	Mn	Si	Mo	P	S
Saldo	0.38 – 0.43%	0.8 – 1.1%	0.5 – 1%	0.15 – 0.3%	0.15 – 0.25%	0.035%	0.04%

Estos elementos se combinan para conseguir un excelente rendimiento mecánico general del acero. Por ejemplo, el carbono contribuye a la dureza y la resistencia; el cromo mejora la resistencia a la corrosión y las propiedades antidesgaste. El manganeso mejora la templabilidad, mientras que el silicio contribuye a la desoxidación, reforzando la estructura del acero.

Equivalentes de acero 4140

La composición química del acero aleado 4140 tiene diferentes nombres en otras partes del mundo según las normas regionales.

EE.UU. (ASTM)	China (GB/T)	REINO UNIDO (BS)	Alemania (DIN)	Japón (JIS)	Francia (NF)
4140	42CrMo	708M40	42CrMo4	SCM440	40CD4

Tratamiento térmico del acero 4140

El tratamiento térmico es uno de los procesos importantes que mejoran las propiedades mecánicas del acero 4140, que es un acero de baja aleación con alta resistencia y tenacidad. Por lo tanto, se puede aplicar a diferentes campos industriales. Los procesos básicos de tratamiento térmico suelen incluir el recocido, la normalización, el revenido y el enfriamiento rápido, cada uno de los cuales tiene una gran influencia en la microestructura y el rendimiento general del acero.

Recocido

El recocido consiste en ablandar el acero, lo que facilita el mecanizado y las operaciones conexas.

• Caliente su pieza en el horno a 1450 - 1600°F.
• Mantener durante 1 hora (más tiempo para grosores superiores a 1 pulgada).
• Apaga el horno y deja que el metal se enfríe dentro.

Normalización

Mejorar las propiedades mecánicas.

• Caliente la pieza en el horno a 1600 - 1700°F.
• Mantener al menos 30 minutos, más es mejor.
• Sacar el metal del horno y dejarlo enfriar al aire libre.

Enfriamiento

Resistencia y tenacidad óptimas.

• Calentar en el horno a 1550 -1600°F
• Mantener durante al menos 30 minutos por pulgada de espesor
• Retirar del horno y enfriar inmediatamente la pieza en aceite mineral.
• Cuando la pieza se enfríe a 150 °F, comience el templado.

Templado

Disminuye la fragilidad y el peligro de agrietamiento. A temperaturas más bajas, aumentará la resistencia a la tracción; a temperaturas más altas, la resistencia a la tracción será menor. Se espera una resistencia a la tracción sólida de 225 ksi (así como una dureza de 50 HRC) a 600 °F, que desciende a unos 130 ksi a 1000 °F.

• Caliente su horno a 400 - 1200°F.
• Mantener a temperatura durante 15 minutos por cada pulgada de grosor.
• Retirar del horno y dejar enfriar al aire.

Propiedades principales del acero 4140

Las propiedades mecánicas del acero 4140 son las siguientes.

Límite elástico （MPa）	415
Resistencia a la tracción（MPa）	655
Dureza (HB)	197
Elogación(%)	25.7
Maquinabilidad	65%

Ventajas del acero 4140

Al considerar el uso del acero AISI 4140 en proyectos industriales, es importante sopesar sus pros y sus contras para asegurarse de que satisface las necesidades específicas de un proyecto.

Ventajas del acero 4140

Gran dureza y resistencia. La aleación tiene una combinación muy equilibrada de dureza y resistencia, lo que resulta especialmente útil para fabricar piezas forjadas como engranajes, ejes y árboles.

Buena resistencia al desgaste. La composición del acero 4140, con elementos de aleación como el cromo y el molibdeno, mejora considerablemente su resistencia al desgaste. Estos elementos contribuyen significativamente a aumentar la capacidad del material para resistir la abrasión, manteniendo al mismo tiempo un rendimiento óptimo en condiciones de alta tensión.

Alta tenacidad. Una de las principales características del acero 4140 es su tenacidad; la dureza del acero 4140 ablandado suele ser de 192 HB en la escala Brinell. Sin embargo, puede alcanzar un mayor nivel de dureza mediante métodos de tratamiento térmico de temple y revenido.

Excepcional resistencia a la fatiga. El 4140 presenta un alto nivel de resistencia a la fatiga. La presencia de una alta resistencia a la tracción, junto con una buena distribución de la tensión, reducirá la iniciación de grietas; por lo tanto, contribuye a una mayor vida útil cuando se somete a condiciones de carga cíclica.

Desventajas del acero 4140

Mala soldabilidad. el acero 4140 tiene una elevada tendencia a la fisuración de la soldadura, por lo que puede ser necesario un cuidado especial, como el precalentamiento y el tratamiento postcalentamiento, para la soldadura de este acero.

Maquinabilidad media. Aunque el acero 4140 posee una buena maleabilidad, su rendimiento de corte y mecanizado es sólo medio. Puede implicar altas velocidades de corte y quizás desgaste de la herramienta.

Alta templabilidad. Esto significa que las velocidades de enfriamiento deben controlarse cuidadosamente en el procesamiento para evitar efectos no deseados del tratamiento térmico como la distorsión o el agrietamiento.

Acero 4140 frente a otras aleaciones

Acero 4140 frente a 1045

El acero aleado 4140 se compara a menudo con el acero 1045, que pertenece al grupo de aceros de carbono medio. Mientras que el acero 1045 tiene una buena maquinabilidad y una resistencia a la tracción aceptable, carece de los elementos de aleación de cromo y molibdeno que se encuentran en el 4140, lo que da lugar a una baja templabilidad y una escasa resistencia al desgaste. Por el contrario, gracias a su composición, el 4140 puede rendir mejor en aplicaciones que requieren mayor resistencia y tenacidad.

Acero 4140 frente a 4130

El acero 4140 tiene un mayor contenido de acero que el 4130. El acero 4140 también tiene más resistencia y templabilidad que el 4130. Por otro lado, el acero 4130 es más soldable que el 4140, pero menos resistente al desgaste.

Acero 4140 frente a 4150

La comparación del acero 4140 con el 4150 muestra algunas diferencias significativas en el contenido de carbono. Mientras que el 4140 contiene entre 0,38% y 0,43% de carbono, el acero 4150 contiene más carbono, entre 0,48% y 0,53%, lo que confiere más resistencia y dureza al 4150. Esto lo hace más adecuado cuando se requiere una alta resistencia al desgaste, especialmente en cañones de armas de fuego y pernos de alta resistencia. Su mayor contenido en carbono también reduce su ductilidad y soldabilidad; de ahí que deba darse un tratamiento térmico especial a las aleaciones 4150. En la fabricación de maquinaria pesada y en la industria del petróleo y el gas, el acero 4150 se selecciona a veces para componentes sometidos a grandes esfuerzos debido a su mayor resistencia a la fatiga y a la solidez.

Aplicaciones

El acero 4140 ha sido ampliamente utilizado y aceptado como versátil y resistente. Tiene propiedades únicas que permiten que el material funcione eficazmente en condiciones difíciles en las que la resistencia y la durabilidad son imprescindibles.

Industria del automóvil

En la industria del automóvil, por ejemplo, el acero 4140 se utiliza a menudo para fabricar componentes clave como ejes, cigüeñales y engranajes. Su gran solidez y resistencia al desgaste contribuyen enormemente al rendimiento y la seguridad de los vehículos, por lo que es el mejor material para piezas sometidas a grandes esfuerzos durante su funcionamiento.

Fabricación aeroespacial

La industria aeroespacial tiene en gran estima el acero 4140 por su capacidad para satisfacer los requisitos más exigentes de precisión y fiabilidad. Tiene una amplia aplicación en la fabricación de piezas aeronáuticas, sobre todo en trenes de aterrizaje y otras piezas sometidas a grandes esfuerzos. Su elevada resistencia a la tracción y a la fatiga hace que este material sea admirablemente adecuado para usos en los que el fallo no es aceptable.

Aplicaciones marinas

Debido a su resistencia a la corrosión, el acero 4140 también se utiliza en aplicaciones en el mar. Es un material utilizado en la fabricación de ejes de hélices y otras piezas expuestas al agua de mar, lo que garantiza su longevidad y fiabilidad en aplicaciones marítimas.

Factores a tener en cuenta al procesar acero 4140

Cuestiones de maquinabilidad

Aunque el acero 4140 ofrece una buena maquinabilidad cuando se aplican las herramientas y técnicas adecuadas, los materiales más duros suelen tener una maquinabilidad peor. Es preciso determinar el equilibrio adecuado entre dureza y maquinabilidad, ya que unas prácticas de mecanizado deficientes sólo conducirán al desgaste de la herramienta y a la pérdida de tolerancias. De ahí que los profesionales del sector deban conocer a fondo el comportamiento del material en los distintos procesos de mecanizado para garantizar resultados satisfactorios.

Prácticas de soldadura

Además de su alto contenido en carbono y aleaciones, la SOLDADURA del acero 4140 plantea muchos problemas, ya que es mucho más susceptible de agrietarse que el acero dulce. La preparación y la técnica son muy importantes para obtener soldaduras fuertes y fiables. Un aspecto importante del proceso de soldadura es el precalentamiento del acero para evitar el agrietamiento en frío y mantener las temperaturas entre pasadas por encima de 260°C (500°F); de lo contrario, la posibilidad de fallo aumenta considerablemente.

Los soldadores deben elegir consumibles de soldadura compatibles para garantizar los mejores resultados al unir acero 4140. Los procesos de soldadura modernos, como la soldadura por arco de gas tungsteno (GTAW) y la soldadura por arco metálico protegido (SMAW), se están utilizando para mejorar la precisión y la flexibilidad en las aplicaciones de soldadura. Sin embargo, estos procesos requieren un operario experimentado para controlar las posibles complicaciones, como la distorsión y las zonas duras, que pueden surgir durante el proceso de soldadura.

Tratamiento térmico

El tratamiento térmico es un paso importante para mejorar las propiedades mecánicas del acero 4140, como la tenacidad y la resistencia a la fatiga. Los procedimientos adecuados de tratamiento térmico, como el temple y el revenido, son necesarios para mejorar la dureza y el rendimiento general del material. Sin embargo, estos procesos deben realizarse con cuidado para evitar la introducción de tensiones residuales que puedan provocar grietas. Por ejemplo, el alivio de tensiones mediante calentamiento controlado a unos 621°C (1.150°F) debe llevarse a cabo para disminuir el potencial de fallo durante y después de la soldadura.

Resistencia a la fatiga y al desgaste

La resistencia a la fatiga y al desgaste son los otros aspectos que hay que tener en cuenta sobre el acero 4140. Aunque la aleación tiene considerables capacidades en términos de resistencia a la fatiga, sigue sucumbiendo al agrietamiento en condiciones de carga cíclica. Esto exige consideraciones críticas de diseño en aplicaciones en las que el acero se someterá a tensiones repetidas. Asimismo, la resistencia al desgaste es fundamental cuando los componentes están expuestos a la abrasión o la fricción. La dureza obtenida mediante un tratamiento térmico adecuado mejora significativamente esta propiedad, por lo que resulta indispensable en industrias que dependen de materiales de alto rendimiento.