AISI 4140 es una aleación de acero al cromo molibdeno de estándar estadounidense. El acero 4140 equivalente en China es 42CrMo, en Alemania es 42CrMo4 y en Japón es acero de aleación SCM440. Presenta alta resistencia, alta tenacidad y buena templabilidad. Debido a su contenido moderado de carbono y a sus ricos elementos de aleación, también se somete comúnmente a tratamientos térmicos para producir acero aleado martensítico con mayor dureza. El acero cromoly 4140 puede cumplir fácilmente con los requisitos de aplicación de componentes de carga pesada. A continuación, explicaré las características y procesos de mecanizado del acero AISI 4140.
Propiedades del acero AISI 4140
Para presentar este material de manera más científica, lo explicaré según las propiedades de los metales, principalmente incluyendo propiedades mecánicas, propiedades físicas, propiedades químicas, resistencia a la corrosión y procesos de mecanizado.
Composición química del AISI 4140
El AISI 4140 también se llama acero cromoly de aleación baja 4140. Sus elementos químicos incluyen principalmente lo siguiente:
Carbono (C): Contenido de 0.38%-0.43%, pertenece a acero de carbono medio y es el elemento clave que determina si el acero 4140 puede ser templado y revenido.
Manganeso (Mn): Contenido de 0.75%-1.00%, mejora principalmente la templabilidad del acero, refina los granos y también puede combinarse con azufre para formar MnS, reduciendo la fragilidad en caliente causada por el azufre y mejorando el rendimiento en caliente del acero AISI 4140.
Cromo (Cr): Contenido de 0.80%-1.10%, puede mejorar la templabilidad, la resistencia al desgaste y la resistencia a la oxidación del material 4140, formando carburos estables para fortalecer la matriz y mejorar la resistencia a la corrosión del acero AISI 4140, especialmente en ambientes oxidantes.
Molibdeno (Mo): Contenido de 0.15%-0.25%, es un elemento de aleación clave en el AISI 4140, mejorando significativamente la templabilidad, suprimiendo eficazmente la fragilidad por revenido, aumentando la resistencia y dureza del acero cromoly 4140 a altas temperaturas, y también mejorando la resistencia a la corrosión del acero, especialmente a la corrosión por cloruros.
Silicio (Si): Contenido de 0.15%-0.35%, actúa principalmente como desoxidante, y una pequeña cantidad puede mejorar la resistencia del acero 4140.
Fósforo (P) y Azufre (S): El contenido de fósforo ≤0.035%, el contenido de azufre ≤0.040%, ambos son elementos de impureza y deben ser controlados estrictamente. Un contenido excesivo de fósforo reducirá la tenacidad al impacto y la temperatura de transición de fragilidad en frío del acero, mientras que un contenido excesivo de azufre causará fragilidad en caliente y reducirá la ductilidad del acero.
Estas composiciones químicas con proporciones razonables ofrecen al acero CrMo 4140 excelentes propiedades integrales en resistencia, tenacidad, templabilidad y resistencia a la corrosión, lo que lo hace adecuado para la fabricación de piezas mecánicas que soportan cargas pesadas y requisitos de impacto.
Propiedades Mecánicas del AISI 4140
El AISI 4140 es un acero estructural de aleación de carbono medio, cromo y molibdeno. Después de templar y revenar tratamiento térmico, tiene excelentes propiedades mecánicas. A continuación, se presentan los indicadores de rendimiento mecánico del acero 4140 en estado templado y revenido:
Resistencia a la tracción del acero 4140: ≥1080 MPa. 1080 MPa es también el valor típico de la resistencia máxima a la tracción del acero 4140 en estado templado a alta temperatura. Si se utiliza revenido a baja temperatura, su resistencia a la tracción será aún mayor.
Resistencia a la fluencia del AISI 4140: ≥650–1100 MPa.
Elongación del AISI 4140: ≥12%, lo que indica que el material tiene buena capacidad de deformación plástica. Esto se basa en el resultado de la prueba con una muestra de 25 mm de tamaño de blank.
Reducción de área del acero 4140 templado y revenido: ≥45%, reflejando la capacidad del material para soportar deformación plástica antes de la fractura.
Tenacidad a impacto del AISI 4140: ≥63 J (20°C), reflejando la capacidad del material para resistir cargas de impacto.
Cabe señalar que las propiedades mecánicas específicas pueden variar dependiendo de los procesos de tratamiento térmico, pureza del material y temperatura ambiente. Por ejemplo, el uso de diferentes medios de enfriamiento (enfriamiento en aceite, en agua) o temperaturas de revenido afectará el equilibrio entre resistencia, tenacidad y dureza del material.
Propiedades físicas del AISI 4140
La densidad del acero 4140 es de aproximadamente 7.85 g/cm³, similar a la del acero al carbono ordinario.
El punto de fusión es de aproximadamente 1420-1450°C, con ligeras variaciones dependiendo de la composición.
La conductividad térmica es de aproximadamente 45-50 W/(m·K) a temperatura ambiente, disminuyendo a medida que aumenta la temperatura.
La capacidad calorífica específica es de aproximadamente 460 J/(kg·K) a temperatura ambiente, indicando una capacidad moderada de absorción y liberación de calor.
El módulo de elasticidad es de aproximadamente 210-215 GPa, reflejando la rigidez del material durante la deformación elástica.
La relación de Poisson es de aproximadamente 0.28-0.30, indicando la proporción de deformación transversal respecto a la deformación longitudinal bajo estrés.
En términos de propiedades magnéticas, el acero aleado AISI 4140 es ferromagnético y puede magnetizarse, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren funcionalidad magnética.
Cabe señalar que los datos de rendimiento anteriores son valores típicos, y los valores reales pueden variar debido a procesos de producción específicos, parámetros de tratamiento térmico y lotes de material.
Dureza del acero 4140:
Condición annealed: ≤217 HB
Condición de temple y revenido: 22-35 HRC (según la temperatura de revenido)
Al ajustar la temperatura de revenido durante el temple y revenido, la dureza del acero 4140 puede ser modificada. Por ejemplo, la dureza disminuye después de un revenido a alta temperatura.
Resistencia a la corrosión del acero 4140
La resistencia a la corrosión del acero 4140 tiene las siguientes características:
Resistencia básica a la corrosión
Dado que el AISI 4140 es un material de aleación de cromo-molibdeno, el elemento cromo (contenido 0.8%-1.1%) puede formar una película pasivadora de óxido de cromo denso en la superficie del acero, proporcionando cierta resistencia a la corrosión en ambientes débiles de ácido y álcalis en general.
Resistencia a medios específicos
En ambientes que contienen una pequeña cantidad de iones de cloruro (como agua de mar ordinaria o ambientes de niebla salina húmeda), la resistencia a la corrosión del acero CrMo 4140 es relativamente limitada. Puede ocurrir oxidación leve tras exposición prolongada, pero generalmente no falla rápidamente por corrosión.
En ambientes de ácido fuerte, álcalis fuertes o con alta concentración de iones de cloruro (como ácido clorhídrico concentrado, ácido sulfúrico concentrado o agua de mar de alta salinidad), su resistencia a la corrosión disminuye significativamente, y se requieren medidas adicionales de protección contra la corrosión (como pintura, galvanizado, cromado o recubrimientos anticorrosivos).
Efecto del tratamiento térmico
Tras el tratamiento de temple y revenido (temple + revenido), la microestructura del AISI 4140 se vuelve más uniforme, y la resistencia a la corrosión se mejora relativamente en comparación con el estado sin tratar, pero aún no puede compararse con los aceros inoxidables (como el acero inoxidable 304 y 316).
Nota: Cuando el acero AISI 4140 se utilice en ambientes altamente corrosivos, se requiere un tratamiento superficial anticorrosivo o modificación del material.
Procesos comunes de mecanizado del AISI 4140
Los principales procesos de mecanizado del AISI 4140 incluyen los siguientes:
1. Proceso de forjado del acero 4140
Se divide en forjado libre y forjado en matriz. El forjado libre se utiliza principalmente para procesar material AISI 4140 en pequeñas cantidades. Se realiza martillado y extrusión a 1100-1200°C, permitiendo refinar y deformar la red cristalina interna del material AISI 4140, mejorando la tenacidad y la resistencia.
El forjado en matriz coloca el lingote de AISI 4140 calentado en un molde y aplica presión desde diferentes direcciones del molde para formar el lingote.
2. Tratamiento térmico del acero 4140
Templado y revenido: Este es el método de tratamiento térmico más utilizado para el acero 4140. El templado en aceite se realiza a 830-860°C para obtener la estructura martensítica del AISI 4140, seguido de un revenido a alta temperatura entre 500-650°C para obtener una estructura de martensita templada o sorbita templada, equilibrando alta resistencia y tenacidad.
Normalizado: Se calienta a 850-880°C y luego se enfría al aire para el AISI 4140. Se utiliza para refinar los granos, homogeneizar la estructura y liberar tensiones internas. Es comúnmente utilizado después de forjar o laminar. La resistencia a la tracción normalizada del acero 4140 es aproximadamente en el rango de 700-900 MPa.
Recocido: Se calienta a 680-720°C y luego se enfría en horno para reducir la dureza del AISI 4140 y mejorar su maquinabilidad, siendo adecuado para piezas que requieran un posterior Fresado CNC.
3. Maquinado
Torneado, fresado, taladrado, roscado, etc.: Estos procesos generalmente se realizan después del templado y revenido o normalizado del acero aleado 4140. Las herramientas de corte utilizadas para maquinado del acero AISI 4140 son generalmente herramientas de carburo o herramientas CBN/cerámicas. La velocidad del husillo se ajusta según la condición del tratamiento térmico de la pieza de trabajo 4140. Los siguientes parámetros de maquinado se resumen en base a la experiencia de nuestros operadores de la máquina de cuatro ejes Weldo:
La dureza del acero aleado 4140 recocido es relativamente baja, y el rango de velocidad del husillo es generalmente de 150-200 m/min;
La dureza del acero aleado 4140 templado y revenido es moderada, con un rango de velocidad de 100-150 m/min;
La dureza del acero AISI 4140 templado en aceite es relativamente alta, y el rango de velocidad de la herramienta es de 80-120 m/min;
El avance de la herramienta se establece en 0.04-0.2, y la sobrehang de la herramienta no debe ser demasiado largo para evitar vibraciones. Se utiliza refrigerante para disipar el calor de la pieza de trabajo y reducir la tasa de desgaste de la herramienta.
Rectificado: Se utiliza para el acabado de superficies más grandes o superficies en lote de piezas de AISI 4140, mejorando el acabado superficial y la precisión dimensional. Comúnmente utilizado para el mecanizado final de ejes, engranajes y otras piezas.
4. Tratamiento superficial
El tratamiento superficial de las piezas de AISI 4140 se divide en protección contra la corrosión y prevención de la oxidación, fortalecimiento superficial y tratamiento estético.
Protección contra la corrosión y prevención de la oxidación:
Fosfatado, óxido negro, galvanizado, cromado
El 4140 comúnmente utiliza fosfatado de manganeso, que tiene mejor resistencia a la temperatura y al desgaste, principalmente para piezas mecanizadas, ejes y engranajes, seguido de inmersión en aceite / pintura en spray.
El tratamiento de óxido negro para 4140 tiene bajo costo, y la capa de película a nivel micrométrico no afecta las dimensiones.
El tratamiento de galvanizado para 4140 templado y revenido se utiliza principalmente para piezas exteriores, sujetadores y maquinaria petrolera.
Las aplicaciones del acero 4140 después del templado, revenido y cromado incluyen cilindros hidráulicos, varillas de pistón y moldes, con la ventaja de una fuerte adherencia de la capa.
Refuerzo de superficie:
Tratamiento de nitruración: después del temple y revenido, el acero 4140 sometido a tratamiento de nitruración mejora su resistencia a la fatiga en más de 50%, principalmente utilizado en engranajes, cigüeñales, asientos de cojinetes y tornillos.
Temple por inducción: alta eficiencia, adecuado para el endurecimiento superficial de grandes lotes de piezas de acero 4140, como ejes, engranajes, pasadores, etc.
Endurecimiento por láser: Calentamiento local de alta energía y autoenfriamiento para piezas AISI 4140, con poca deformación, adecuado para el refuerzo local de piezas de precisión y cavidades complejas.
Granallado / chorreado: Tratamiento después del temple y revenido del 4140, liberando parte del estrés interno de la pieza, mejorando la resistencia a la fatiga y la prevención de grietas, principalmente utilizado para cigüeñales, bielas, resortes, etc.
Tratamiento de apariencia:
Pulido: AISI 4140 soporta tanto pulido mecánico como pulido electrolítico. El pulido electrolítico proporciona un mejor acabado superficial, alcanzando RA≤0.2, adecuado para mecanizar piezas complejas de 4340.
Recubrimiento PVD: Mejora la dureza superficial del 4140 y reduce el coeficiente de fricción. Ejes y componentes de fricción son usos comunes del acero 4140.
Formas comunes del acero AISI 4140
Placa de acero 4140
Las placas de acero 4140 incluyen principalmente placas laminadas en caliente, placas laminadas en frío y placas de nivelación. Las especificaciones del acero 4140 varían en grosor desde 0.1 mm hasta 300 mm, con ancho y largo personalizables según los requisitos. Son adecuadas para la fabricación de moldes, piezas estructurales, recipientes a presión, etc.
Varilla de acero 4140
Al visitar a nuestros proveedores de varillas de acero 4140, a menudo puede ver barras redondas laminadas en caliente, barras redondas estiradas en frío y barras forjadas en stock de acero 4140. Los diámetros varían desde varios milímetros hasta cientos de milímetros, comúnmente utilizados para fabricar ejes, engranajes, tornillos y otras piezas mecánicas.
Tubo de acero 4140
Incluyendo tubos sin costura 4140 y tubos soldados, con diversas especificaciones de diámetro exterior y espesor de pared. Comúnmente utilizados en perforación de petróleo, tuberías químicas, transmisión mecánica y otros campos, cumpliendo con los requisitos de resistencia, resistencia a la corrosión y rendimiento de sellado.
Forjados de 4140
El 4140 puede ser forjado en formas personalizadas según requisitos específicos, como blank de engranajes, cigüeñales, bielas y otras piezas mecanizadas de acero aleado 4140, con estructura cristalina uniforme, buena tenacidad y cierta resistencia al impacto.
Cable de acero 4140
El cable de diámetro fino puede ser utilizado para fabricar resortes, cables de acero, materiales de soldadura, etc. Tiene buena elasticidad y resistencia. La soldabilidad del acero 4140 es de nivel medio a bajo. Se requiere precalentamiento antes de soldar acero 4140. Se recomienda elegir soldadura con protección de gas o soldadura por arco manual, y evitar procesos de soldadura que generen fácilmente hidrógeno.
Conclusión
Lo anterior cubre las características completas del material del acero aisi 4140, así como sus formas comunes de materia prima. Si desea aprender más o obtener una cotización para servicios de mecanizado de acero, no dude en contactarnos en Mecanizado Weldo.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Cómo templar y templar en frío el acero aleado AISI 4140?
Caliente el AISI 4140 a 810-850°C para austenitizar y mantener, luego enfríe en aceite para enfriar, seguido de un revenido a alta temperatura (o baja temperatura) para obtener martensita. Este proceso se conoce comúnmente como temple y revenido.
¿Se puede templar en agua el acero al carbono AISI 4140?
El AISI 4140 no puede ser templado con agua. Incluso las piezas pequeñas son propensas a sufrir grietas por templado en las secciones transversales de las piezas. El templado con agua está estrictamente prohibido para piezas grandes de AISI 4140, piezas de pared gruesa y piezas complejas. El enfriamiento rápido puede causar grietas, deformaciones severas y resultar en piezas desechadas.
En la mayoría de los casos, las piezas de AISI 4140 se templen en aceite. La velocidad de enfriamiento del medio oleoso es relativamente moderada, lo que puede equilibrar mejor el efecto de endurecimiento y el control de deformaciones.
¿Es acero inoxidable 4140?
Debido a que el contenido de cromo del acero aleado 4140 suele ser de 0.80%-1.10%, mucho menor que el estándar de acero inoxidable de no menos de 10.5%, no posee la resistencia a la corrosión única del acero inoxidable. Por lo tanto, el acero 4140 no es acero inoxidable.
