Al comparar el acero 4340 con el 4140, ambos materiales destacan por ser aceros de baja aleación muy utilizados para la fabricación de ejes, engranajes, elementos de fijación y componentes de transmisión.
Sin embargo, no son directamente intercambiables. El tamaño de la sección, las cargas de impacto, la vida útil a fatiga y el coste de fabricación influyen en la elección del material.
En términos sencillos, el acero 4140 ofrece un buen equilibrio entre rendimiento y coste. Por el contrario, el acero 4340 resulta más adecuado para perfiles de gran tamaño y componentes expuestos a cargas de impacto elevadas o a un alto riesgo de fallo.
En este artículo se comparan sus normas internacionales, composiciones químicas, propiedades, procesos de fabricación, costes y aplicaciones.
¿Qué es el acero 4140?
acero 4140 Es un acero de baja aleación de cromo-molibdeno con un contenido medio de carbono. Ofrece una buena resistencia, tenacidad y templabilidad.
El acero 4140 templado y revenido es adecuado para ejes, engranajes, ruedas dentadas, pernos y componentes de herramientas.
Además, su cadena de suministro bien consolidada contribuye a reducir los costes de aprovisionamiento.
Se trata de un acero de endurecibilidad media. A medida que aumenta el tamaño de la sección, la dureza y la resistencia del núcleo son inferiores a las de la superficie.
¿Qué es el acero 4340?
Acero 4340 Es un acero de baja aleación de níquel, cromo y molibdeno con un contenido medio de carbono. El níquel es la principal diferencia en la composición entre el 4340 y el 4140.
El 4340 ofrece una mayor templabilidad y tenacidad. Los componentes de gran sección también pueden alcanzar unas propiedades del núcleo más uniformes.
Es adecuado para ejes sometidos a grandes esfuerzos, engranajes sometidos a grandes cargas y componentes de transmisión para la industria aeroespacial.
Sus requisitos más exigentes en cuanto a materiales y control de calidad también aumentan los costes.
Normas internacionales para los aceros 4140 y 4340
Los números 4140 y 4340 pertenecen al sistema de designación SAE/AISI. Estos grados identifican tipos de composición, más que niveles fijos de dureza o resistencia.
A la hora de adquirir estos materiales, también deben especificarse la norma del producto, el estado del material y los requisitos de inspección.
Designaciones SAE/AISI y UNS
La norma SAE 4140 se refiere al acero aleado al cromo y molibdeno. La norma SAE 4340 se refiere al acero aleado al níquel, cromo y molibdeno.
| Material | Designación UNS |
|---|---|
| 4140 | G41400 |
| 4340 | G43400 |
Las designaciones UNS constituyen un sistema unificado para identificar materiales. No indican que un material haya obtenido una certificación aeroespacial o militar.
Normas ASTM habituales
| Norma ASTM | Ámbito principal |
| ASTM A29/A29M | Requisitos generales para las barras de acero al carbono y de acero aleado forjadas en caliente |
| ASTM A322 | Barras de acero aleado de calidad estándar |
| ASTM A434/A434M | Barras de acero aleado forjadas en caliente o acabadas en frío, templadas y revenidas |
Las normas ASTM se clasifican según la forma del producto y las condiciones de suministro.
La orden de compra también debe especificar la calidad, las dimensiones y el estado de tratamiento térmico.
Especificaciones comunes de materiales aeroespaciales (AMS)
| Material | Especificaciones de AMS | Ámbito de aplicación habitual |
| 4140 | AMS 6382 | Barras, piezas forjadas y anillos de calidad aeronáutica |
| 4140 | AMS 6349 | Barras de acero en estado normalizado |
| 4340 | AMS 6414 | Barras, piezas forjadas y tubos mecánicos de primera calidad |
| 4340 | AMS 6415 | Barras, piezas forjadas y tubos mecánicos de calidad aeronáutica |
Los proyectos aeroespaciales también deben cumplir los requisitos relativos al proceso de fusión, la limpieza y los ensayos no destructivos.
La revisión de las especificaciones indicada en el plano es la que prevalece.
Una norma no es lo mismo que una certificación de materiales
Una norma define los requisitos relativos al material. Un MTC o un MTR acredita que un lote concreto cumple dichos requisitos.
El certificado debe incluir, como mínimo, la siguiente información:
- Calidad del material y norma aplicable;
- Número de hornada e información sobre el lote;
- Composición química real;
- Condiciones de suministro y de tratamiento térmico;
- Dureza y propiedades mecánicas;
- Resultados de la inspección y dimensiones del producto.
Por lo tanto, una orden de compra no puede limitarse a indicar “4140” o “4340”. Es imprescindible que se especifiquen los requisitos técnicos completos para garantizar la trazabilidad del material.
Comparación de la composición química del acero 4340 frente al 4140
Los siguientes rangos se refieren a SAE J404 y ASTM A322. Todos los valores se expresan en porcentajes en masa.
| Elemento | Acero 4140 | Acero 4340 |
| Carbono (C) | 0.38%–0.43% | 0.38%–0.43% |
| Manganeso (Mn) | 0.75%–1.00% | 0.60%–0.80% |
| Cromo (Cr) | 0.80%–1.10% | 0.70%–0.90% |
| Níquel (Ni) | —* | 1.65%–2.00% |
| Molibdeno (Mo) | 0.15%–0.25% | 0.20%–0.30% |
Nota: *“—” significa que el níquel no es un elemento de aleación especificado en el 4140. No significa que el contenido de níquel sea absolutamente nulo.
En la tabla solo se enumeran los principales elementos que distinguen a ambos aceros. El contenido de silicio, fósforo y azufre debe seguir cumpliendo con la norma especificada en la orden de compra.
Diferencias clave en la composición química
Ambos aceros tienen el mismo rango de contenido en carbono. El carbono constituye la base de la dureza y la resistencia tras el tratamiento térmico.
La aleación 4340 contiene níquel en una proporción de 1,65%–2,00%. El níquel mejora la tenacidad, la templabilidad y la resistencia al impacto a altos niveles de resistencia.
Ambos aceros contienen cromo y molibdeno. El cromo mejora la templabilidad y la resistencia al desgaste, mientras que el molibdeno mejora la estabilidad del templado.
Estos niveles de aleación son insuficientes para proporcionar una resistencia a la corrosión propia del acero inoxidable. Ambos materiales requieren una protección superficial en entornos húmedos.
Fuerza y resistencia
La resistencia determina la capacidad de un componente para soportar cargas. La tenacidad determina su capacidad para absorber impactos sin romperse.
El acero 4140 templado y revenido ofrece una alta resistencia. Cumple con los requisitos de carga de la mayoría de los ejes, engranajes y elementos de fijación industriales.
Con el mismo nivel de resistencia, el 4340 conserva una mayor tenacidad. Además, resiste mejor los impactos y las cargas cíclicas que el 4140.
| Propiedad | Acero 4140 | Acero 4340 |
| Nivel de fuerza | Alta | Más alto |
| Resistencia al impacto | Bien | Más alto |
| Resistencia a la fatiga | Bien | Más alto |
| Rendimiento en secciones de gran tamaño | Moderado | Excelente |
A medida que aumenta la dureza, la resistencia de ambos materiales aumenta, mientras que su tenacidad disminuye.
Al comparar datos mecánicos, es imprescindible que las condiciones de tratamiento térmico, la dureza, las dimensiones de la sección y la orientación de la probeta sean las mismas.
Capacidad de templado y dimensiones de la sección
La templabilidad describe la capacidad de un acero para desarrollar una estructura endurecida por debajo de la superficie. Es diferente de la dureza superficial máxima.
El 4140 es un acero de templabilidad media. A medida que aumenta la sección transversal, se observan claras diferencias en la microestructura y la dureza entre la superficie y el núcleo.
El sistema de aleación de níquel-cromo-molibdeno confiere a la 4340 una mayor templabilidad. La estructura templada puede extenderse a mayor profundidad en secciones de mayor tamaño.
Con el mismo tamaño de sección y las mismas condiciones de temple, el acero 4340 ofrece unas propiedades del núcleo más uniformes.
| Estado de los componentes | Consideraciones sobre los materiales |
| Sección de tamaño pequeño a mediano | El 4140 cumple con la mayoría de los requisitos industriales |
| Eje de gran diámetro | El 4340 ofrece una mayor profundidad de temple completo |
| Forja de sección gruesa | El 4340 reduce la diferencia entre las propiedades de la superficie y las del núcleo |
| Requisitos estrictos en materia de propiedades fundamentales | Verificar mediante una probeta de ensayo de tratamiento térmico o una probeta de ensayo de elongación |
El tamaño de la sección, el medio de temple y la dureza objetivo deben evaluarse conjuntamente. La dureza superficial no puede sustituir a los datos sobre las propiedades del núcleo.
Tratamiento térmico y dureza
Las propiedades de los aceros 4140 y 4340 pueden modificarse mediante recocido, normalización, temple y revenido.
El recocido reduce la dureza y mejora la maquinabilidad. Este estado es adecuado para el mecanizado en bruto y el mecanizado de contornos complejos.
El temple aumenta la resistencia y la dureza. El revenido reduce la fragilidad y establece un equilibrio entre resistencia y tenacidad.
Tratamiento térmico Características de ambos materiales
El 4140 es adecuado para el templado y revenido, el endurecimiento por inducción y la nitruración. Cumple con los requisitos de dureza de la mayoría de los componentes mecánicos.
El 4340 alcanza una elevada resistencia y tenacidad mediante el templado y el revenido. Su alta templabilidad garantiza un endurecimiento profundo en secciones de gran tamaño.
Templado por inducción y nitruración Ambos pueden crear una capa superficial endurecida. El núcleo resistente sigue soportando las cargas de impacto y flexión.
¿Cómo deben especificarse los requisitos de dureza?
En un plano no debe indicarse únicamente un valor HRC. También deben definirse el estado de tratamiento térmico, el lugar de inspección y la profundidad efectiva de la capa de cementación.
Los componentes de gran sección también deben tener una dureza del núcleo especificada. Los componentes críticos para la seguridad requieren ensayos adicionales de tracción, impacto y ensayos no destructivos.
Mecanizabilidad y coste de fabricación
La dureza del material influye más en la eficiencia del mecanizado que la diferencia de calidad. El material recocido es más fácil de mecanizar que el material templado y revenido.
El acero 4140 recocido es adecuado para el torneado, el fresado, el taladrado y el rectificado. Sus métodos de procesamiento consolidados permiten una producción en serie eficiente.
El acero 4340 recocido también es adecuado para el mecanizado convencional. A medida que aumenta la dureza, también aumentan el desgaste de la herramienta y el calor generado durante el corte.
Los componentes de acero 4340 de alta dureza deben acabarse mediante rectificado, torneado en frío o mecanizado por descarga eléctrica.
Secuencia de fabricación recomendada
- Confirma la norma del material y la dureza del suministro;
- Realizar el mecanizado en bruto y dejar un margen para el acabado;
- Aliviar la tensión según lo requiera el proceso;
- Templado y revenido completos;
- Realizar el rectificado u otra operación de acabado;
- Comprueba la dureza, las dimensiones y la calidad de la superficie.
Esta secuencia de procesos reduce el riesgo de deformación debida al tratamiento térmico. Además, evita tener que realizar un mecanizado exhaustivo en condiciones de alta dureza.
Diferencia de coste entre componentes idénticos mecanizados con CNC
Los siguientes rangos se basan en una geometría, tolerancias, cantidades, tratamiento térmico y requisitos de superficie idénticos.
En cuanto a la calidad industrial estándar, un componente acabado de acero 4340 fabricado con CNC cuesta entre 10% y 30% más que el mismo componente fabricado con acero 4140.
| Tipo de componente | Aumento del coste del 4340 | Factor de coste principal |
| Componente complejo de precisión | 5%-15% | El tiempo de mecanizado CNC representa una parte mayor del coste total |
| Eje estándar o engranaje | 10%–25% | Aumento de los costes de los materiales y del tratamiento térmico |
| Componente de gran diámetro con una baja tasa de arranque de material | 20%–35% | Las materias primas representan una parte mayor del coste total |
| Componente fabricado con material de grado aeroespacial o VAR | Cotizado por separado | Diferentes requisitos de certificación e inspección |
Si un componente 4140 cuesta 100 dólares estadounidenses, un componente 4340 idéntico cuesta entre 110 y 130 dólares estadounidenses.
Un componente complejo de precisión cuesta entre 105 y 115 dólares estadounidenses. Un componente de gran diámetro con una baja tasa de arranque de material cuesta entre 120 y 135 dólares estadounidenses.
Los rangos anteriores no se aplican a la certificación aeroespacial, a los procesos especiales de fundición ni a los ensayos a escala real.
Soldabilidad
Ni el 4140 ni el 4340 son aceros de bajo contenido en carbono fáciles de soldar. El enfriamiento rápido da lugar a una microestructura dura y frágil en la zona afectada por el calor.
El 4140 es más fácil de soldar que el 4340. El precalentamiento, el metal de aportación con bajo contenido en hidrógeno y un enfriamiento lento permiten controlar las grietas en frío.
El 4340 presenta una mayor capacidad de templado. Su zona afectada por el calor requiere un control más estricto del hidrógeno y una gestión más rigurosa de la temperatura.
El procedimiento de soldadura debe incluir los siguientes requisitos:
- Elimina el aceite, el óxido y la humedad de las superficies de unión;
- Utiliza metal de aportación seco y con bajo contenido en hidrógeno;
- Sigue los requisitos del WPS en cuanto a las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas;
- Controlar el aporte de calor y la velocidad de enfriamiento;
- Realizar el tratamiento térmico posterior a la soldadura según lo establecido en el diseño;
- Comprueba la dureza de la soldadura y de la zona afectada por el calor.
En los componentes 4340 críticos para la seguridad se debe dar prioridad a las piezas forjadas integrales o a las uniones mecánicas. La soldadura de reparación requiere una nueva verificación del rendimiento.
Se debería reconsiderar la elección de los materiales en el caso de las estructuras que requieran un trabajo de soldadura extenso. El acero con bajo contenido en carbono ofrece una mayor eficiencia en la soldadura.
Comportamiento frente a la fatiga y el desgaste
La rotura por fatiga se debe a cargas repetidas. La resistencia al desgaste depende de la dureza, la lubricación y la presión de contacto.
El acero 4140 templado y revenido ofrece un buen comportamiento frente a la fatiga. Es adecuado para ejes de uso general, engranajes y componentes de transmisión de potencia.
El 4340 conserva una mayor tenacidad a altos niveles de resistencia. Es más adecuado para componentes expuestos tanto a impactos como a cargas cíclicas.
Con la misma dureza, ambos aceros presentan un comportamiento fundamental similar frente al desgaste.
La principal ventaja del 4340 es su resistencia a la fractura, más que su resistencia inherente al desgaste.
Las siguientes medidas mejoran la resistencia a la fatiga:
- Reducir la rugosidad de la superficie;
- Aumentar los radios de transición;
- Evitar las quemaduras por rectificado y la descarburación;
- Utilizar el granallado, el laminado o el endurecimiento superficial;
- Controlar las inclusiones y la limpieza del material;
- Mejorar la lubricación y la protección contra la corrosión.
La mejora del material no puede compensar las esquinas afiladas, las marcas de las herramientas ni un tratamiento superficial incorrecto.
Aplicaciones típicas de los aceros 4140 y 4340
Las aplicaciones de ambos aceros se solapan. El tamaño del componente, el nivel de carga y las consecuencias de un fallo determinan el tipo de acero definitivo.
| Aplicación | 4140 | 4340 |
| Eje de diámetro pequeño a mediano | Preferido | Rendimiento excesivo |
| Engranajes y ruedas dentadas de uso general | Preferido | Adecuado |
| Perno de alta resistencia | Preferido | Apto para un uso con cargas elevadas |
| Componentes de herramientas y matrices | Preferido | Apto para un uso con cargas elevadas |
| Eje de transmisión de gran diámetro | Limitado por el tamaño de la sección | Preferido |
| Cigüeñal de alta resistencia y engranaje sometido a grandes esfuerzos | Limitado por el nivel de carga | Preferido |
| Componente de tren de aterrizaje y transmisión para la industria aeroespacial | Limitado por las especificaciones | Se utiliza de acuerdo con las especificaciones de AMS |
| Componente de perforación y energía de alto impacto | Apto para cargas estándar | Ideal para uso intensivo |
El 4140 se utiliza principalmente en aplicaciones de maquinaria general, automoción, herramientas para yacimientos petrolíferos y fabricación de matrices.
El 4340 se utiliza principalmente en aplicaciones del sector aeroespacial, de transmisiones para servicio pesado, de automoción de alto rendimiento y de equipos energéticos para cargas elevadas.
Ventajas y limitaciones de los aceros 4140 y 4340
| Elemento de comparación | Acero 4140 | Acero 4340 |
| Ventaja fundamental | Rendimiento equilibrado y menor coste | Alta tenacidad y endurecimiento profundo |
| Mecanizado y disponibilidad | Procesos consolidados y amplia disponibilidad | Más difícil de mecanizar debido a su elevada dureza |
| Capacidad de la sección | Adecuado para tramos pequeños y medianos | Adecuado para secciones de gran tamaño |
| Control de la soldadura | Estricto | Más estrictas |
| Fatiga y comportamiento ante impactos | Cumple los requisitos generales | Apto para condiciones de servicio de alto riesgo |
| Limitación principal | Las propiedades del núcleo están limitadas por el tamaño de la sección | Mayores costes de materiales, tratamiento térmico e inspección |
| Resistencia a la corrosión | Requiere protección de la superficie | Requiere protección de la superficie |
El valor del 4140 reside en su equilibrio y su rentabilidad. El valor del 4340 reside en su elevada resistencia y tenacidad, combinadas con su capacidad para secciones de gran tamaño.
El uso del acero 4340 sin que exista la necesidad de secciones de gran tamaño o de un alto riesgo de fallo da lugar a un sobredimensionamiento del material.
¿Cómo elegir entre el acero 4340 y el 4140?
La elección del material no puede basarse únicamente en la resistencia a la tracción. Es necesario tener en cuenta el tamaño de la sección, el tipo de carga, las condiciones de fabricación y las consecuencias de un fallo.
| Estado del proyecto | Material recomendado | Motivo de la selección |
| Eje de diámetro pequeño a mediano | 4140 | Resistencia suficiente y menor coste |
| Engranajes y ruedas dentadas de uso general | 4140 | Buen equilibrio entre rendimiento y facilidad de mecanizado |
| Componente mecánico fabricado en serie | 4140 | Suministro estable y sistema de fabricación consolidado |
| Sujetador estándar de alta resistencia | 4140 | Cumple los requisitos de carga tras el temple y el revenido |
| Forja de eje de gran diámetro y sección gruesa | 4340 | Mayor capacidad de endurecimiento del núcleo |
| Componente de transmisión de alto impacto | 4340 | Conserva una mayor tenacidad a altos niveles de resistencia |
| Componente sometido a fatiga de alto número de ciclos | 4340 | Mayor protección frente a las fracturas |
| Componente aeroespacial crítico para la seguridad | 4340 | Cumple con los requisitos de alta limpieza y trazabilidad |
| Estructura que requiere un trabajo de soldadura extenso | Revisar el material | Ambos materiales requieren controles estrictos de soldadura |
Selecciona el material en cuatro pasos
- Confirma el tamaño de la sección: Evalúa primero el 4140 para secciones pequeñas y medianas, y primero el 4340 para secciones grandes.
- Confirma el tipo de carga: Seleccione el 4140 para cargas estándar y el 4340 para cargas de alto impacto y de ciclo elevado.
- Confirmar las capacidades de fabricación: Comprueba las capacidades de mecanizado, tratamiento térmico, inspección y trazabilidad de los materiales.
- Calcular el coste total: Incluye los riesgos relacionados con los materiales, el mecanizado, el tratamiento térmico, la inspección y las modificaciones.
La selección final debe basarse en el plano y las especificaciones técnicas. El tipo de material por sí solo no basta para definir el rendimiento de un componente.
Conclusión
El 4140 es adecuado para la mayoría de los componentes mecánicos de sección pequeña a mediana. Ofrece un buen equilibrio entre resistencia, maquinabilidad y coste.
El 4340 es adecuado para componentes de gran sección, sometidos a fuertes impactos y críticos para la seguridad. Sus principales ventajas son la tenacidad y la capacidad de endurecimiento en profundidad.
Al adquirir cualquiera de estos materiales, también deben especificarse las condiciones de suministro, el tratamiento térmico, la dureza, los aspectos que deben inspeccionarse y el certificado del material.
Unos requisitos técnicos completos reducen el tiempo de elaboración del presupuesto y evitan el sobredimensionamiento de los materiales y las consiguientes modificaciones posteriores.
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