Introducción
El acero 4140 se utiliza ampliamente para componentes que requieren alta resistencia, resistencia a la fatiga y resistencia al desgaste, como engranajes, ejes y cilindros hidráulicos. Las propiedades del 4140 se derivan en gran medida de sus adiciones de aleación de cromo y molibdeno.
El cromo y el molibdeno mejoran significativamente la capacidad de rendimiento del acero aleado 4140. Estos elementos de aleación mejoran la templabilidad para una mayor resistencia a través de secciones más gruesas, aumentan la resistencia a la tracción y el límite elástico, y proporcionan mejoras sustanciales en la resistencia al desgaste y la vida a fatiga.
Este artículo explica los efectos clave del cromo y el molibdeno en las propiedades del acero 4140. Abarca los mecanismos microestructurales, la respuesta al tratamiento térmico, la contribución a la resistencia y la dureza y las ventajas de la resistencia al desgaste. Se proporcionan los niveles recomendados para optimizar los requisitos específicos de rendimiento.
Visión general de Acero aleado 4140
El 4140 es un acero al cromo-molibdeno de baja aleación diseñado para piezas que requieren gran resistencia y tenacidad, además de una buena resistencia al desgaste. Su composición es:
- Carbono - 0,38-0,43%
- Cromo - 0,8-1,1%
- Molibdeno - 0,15-0,25%
- Manganeso - 0,75-1,0%
- Silicio - 0,15-0,30%
Las adiciones de cromo y molibdeno hacen que el 4140 sea mucho más resistente que los aceros al carbono sin alear, conservando al mismo tiempo una buena ductilidad y tenacidad. Los tratamientos superficiales de nitruración o carburación pueden aumentar aún más la vida útil.
Veamos con más detalle los efectos específicos del cromo y el molibdeno.
Finalidad del cromo
Las principales ventajas que aporta el cromo en el acero 4140 son:
- Aumenta la templabilidad y la resistencia al revenido para una mayor resistencia
- Mejora la resistencia a la tracción y la tenacidad
- Mejora la resistencia al desgaste y a la abrasión en la superficie
- Contribuye a la resistencia a las incrustaciones a altas temperaturas
El cromo es un fuerte formador de carburo que hace que el 4140 sea más capaz de ser endurecido a altos niveles de resistencia. Amplía la gama de endurecimiento y facilita el endurecimiento al aire.
Se necesita un mínimo de 0,8% de Cr en el acero 4140 para proporcionar una respuesta suficiente al tratamiento térmico. Los efectos óptimos se consiguen en el rango de 1,0-1,2% de cromo.
Efecto del cromo en la templabilidad
El cromo es muy eficaz para mejorar la templabilidad del acero 4140. El cromo se combina con el carbono para formar carburos de cromo duros y estables que restringen el crecimiento de ferrita y perlita durante el enfriamiento.
El resultado es una mayor capacidad para formar martensita a velocidades de enfriamiento más lentas y a través de secciones transversales de mayor tamaño. Por ejemplo, el 4140 con 1,1% Cr puede endurecerse completamente hasta 2,5" de diámetro, frente a solo 1,5" de diámetro sin el cromo.
Efectos del cromo sobre la fuerza
Las adiciones de cromo aumentan los niveles alcanzables de tracción y límite elástico del acero 4140 tras el tratamiento térmico:
- Cada 0,1% de cromo aumenta la resistencia a la tracción en aproximadamente 3-4 ksi.
- Los niveles de cromo superiores a 1,0% permiten resistencias a la tracción superiores a 200 ksi
- El límite elástico muestra mejoras proporcionales similares
El cromo refuerza la solución sólida y forma carburos duros que restringen el movimiento de dislocación, aumentando la resistencia. Esto permite alcanzar la dureza deseada de 45-50 HRC en el 4140.
Sin embargo, un exceso de cromo por encima de 1,2% hace que el 4140 sea cada vez más difícil de mecanizar. 1,0-1,1% Cr proporciona la mejor combinación de templabilidad, resistencia y mecanizabilidad.
Efectos de la resistencia al desgaste
El cromo mejora sustancialmente la resistencia al desgaste del acero 4140, especialmente en la superficie. Los principales mecanismos incluyen:
- Forma carburos de cromo duros y resistentes a la abrasión
- Proporciona un sólido refuerzo de la solución para resistir el desgaste
- Favorece la formación de óxidos duros y resistentes al desgaste durante el tratamiento térmico
- Mejora los tratamientos de endurecimiento superficial como la nitruración y la carburación
Se necesitan niveles de cromo de al menos 0,8% para una mejora suficiente del desgaste en el acero 4140. La duración óptima del desgaste superficial se consigue con Cr en el intervalo de 1,0-1,2%.
Finalidad del molibdeno
El molibdeno se añade al acero 4140 principalmente para:
- Mayor templabilidad para secciones de mayor tamaño
- Mayor capacidad de resistencia gracias al endurecimiento por precipitación
- Mayor resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas
- Mejor maquinabilidad frente a mayores niveles de cromo
Al igual que el cromo, el molibdeno favorece la formación de martensita para aumentar la dureza. También permite utilizar temperaturas de revenido más elevadas para obtener niveles máximos de resistencia.
Las adiciones de 0,15-0,25% de molibdeno son típicas para el acero 4140 en función de los requisitos de templabilidad. Niveles superiores de hasta 0,35% de Mo pueden aumentar aún más la resistencia a temperaturas elevadas.
Efecto del molibdeno en la templabilidad
El molibdeno mejora significativamente la templabilidad del acero 4140, lo que permite templar completamente secciones más grandes.
Algunos efectos del molibdeno en el comportamiento de endurecimiento incluyen:
- Amplía la gama de temperaturas para la transformación martensítica
- Desplaza la curva de enfriamiento continuo a velocidades críticas de enfriamiento más lentas.
- Restringe la formación de ferrita permitiendo la martensita a un enfriamiento más lento
- Reduce la temperatura de revenido, lo que se traduce en una mayor resistencia al revenido
Efectos del molibdeno sobre la resistencia
El molibdeno aumenta la resistencia del acero 4140 en:
- Fortalecimiento de soluciones sólidas
- Formación de partículas duras precipitadas durante el revenido
- Permite temperaturas de revenido más elevadas manteniendo la dureza
Las adiciones superiores a 0,20% de Mo pueden aumentar la resistencia a la tracción templada entre 15 y 25 ksi y elevar los niveles de dureza alcanzables. Este efecto de endurecimiento por precipitación contribuye significativamente a la elevada capacidad de resistencia del acero 4140.
El molibdeno también mejora la resistencia a la fluencia, que mantiene la resistencia durante la exposición prolongada a temperaturas elevadas. Aumenta la capacidad de carga de las piezas que funcionan a temperaturas superiores a 500 °F.
Efectos de la resistencia al desgaste
Las principales ventajas del molibdeno para mejorar la vida útil incluyen:
- Contribuye a reforzar la solución sólida para mejorar la resistencia a la abrasión
- Forma carburos complejos duros que proporcionan una mayor resistencia al desgaste
- Mantiene una alta capacidad de dureza durante el revenido para un mejor comportamiento frente al desgaste.
- Proporciona resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas
Aunque es menos eficaz que el cromo en la superficie, el molibdeno mejora las propiedades antidesgaste en todo el espesor de la sección. Los niveles de molibdeno de 0,20-0,25% optimizan la resistencia al desgaste en equilibrio con la maquinabilidad.
Niveles óptimos de cromo y molibdeno
La gama típica de cromo y molibdeno utilizada en el acero 4140 es:
- Cromo - 0,8-1,1%
- Molibdeno - 0,15-0,25%
Para resumir los efectos típicos en las propiedades:
- 0,8% Cr + 0,15% Mo - Mínimo para respuesta básica, resistencia a la tracción ~180 ksi
- 1,0% Cr + 0,20% Mo - Equilibrio óptimo de propiedades y coste, resistencia a la tracción ~200 ksi
- 1,1% Cr + 0,25% Mo - Dureza y resistencia máximas, resistencia a la tracción >210 ksi
Las mayores adiciones de cromo y molibdeno permiten al acero 4140 alcanzar resistencias a la tracción superiores a 220 ksi. Sin embargo, el mecanizado se vuelve más difícil.
Para utilizar eficazmente el acero 4140 es importante adaptar el contenido de aleación a los requisitos específicos de resistencia, resistencia al desgaste y coste.
Efecto en la microestructura previa
El cromo tiene un fuerte efecto refinador del grano en el acero 4140. A mayor contenido de cromo, más finos son los granos de ferrita laminados. Por ejemplo, 1,1% Cr refina el tamaño de grano hasta ASTM 7-8 frente a ASTM 8-9 para el acero 0,8% Cr.
Los granos más finos proporcionan una mayor resistencia y tenacidad en el estado recocido. También mejoran la respuesta al temple. El normalizado refina aún más los granos para obtener resultados óptimos en el tratamiento térmico.
Efecto en la respuesta al templado
El molibdeno reduce la temperatura de revenido del acero 4140 retrasando la formación de ferrita y cementita durante el calentamiento. Este efecto de resistencia al revenido permite utilizar temperaturas de revenido más elevadas, de hasta 1200 °F, manteniendo una dureza de 36-40 HRC.
El cromo también mejora la resistencia al revenido, pero en menor medida. La combinación de 1,0% de Cr con 0,2% de Mo mejora significativamente las características de revenido del 4140 para facilitar el procesamiento y aumentar los niveles de resistencia alcanzables.
Efecto sobre la maquinabilidad
El molibdeno tiene un impacto menos negativo sobre la maquinabilidad que el cromo. Sustituya parte del cromo por molibdeno si la maquinabilidad del acero 4140 es crítica. Por ejemplo, 1,0% Cr + 0,2% Mo se mecaniza más fácilmente que 1,2% Cr solo.
Sin embargo, los niveles totales de aleación superiores a 1,35% afectarán negativamente a los parámetros de mecanizado. Para optimizar la maquinabilidad y el rendimiento, es necesario controlar de cerca el contenido de aleación en función de las propiedades requeridas.
Comparación con otras aleaciones
He aquí la comparación del acero 4140 con otros aceros de baja aleación:
- 4340 - 1.8-2.1% Ni para mayor tenacidad pero menor resistencia al desgaste
- 5140 - 0,75-1,0% Cr-Mo-V para mejorar la resistencia al desgaste
- 8620 - 1.0% Ni + 0.5% Mo proporciona buena tenacidad y cierta resistencia al desgaste
- 9310 - Mayor 1,2-1,4% Cr + 0,12% Mo para máxima dureza y resistencia al desgaste pero menor tenacidad
El 4140 proporciona la combinación óptima de resistencia, tenacidad, resistencia al desgaste y rentabilidad requerida en la mayoría de las aplicaciones. Los contenidos de cromo y molibdeno están equilibrados para conseguirlo.
Efectos en el tratamiento térmico y la transformación
Un tratamiento térmico adecuado es esencial para aprovechar al máximo las capacidades del acero 4140:
- El recocido puede requerir temperaturas más altas, hasta 1675 °F, para la disolución completa del carburo.
- El enfriamiento rápido en aceite es necesario para formar martensita en secciones de más de 2" de diámetro.
- El doble templado maximiza la resistencia y la tenacidad
- Se requiere un revenido superior a 1000°F para precipitar completamente los carburos
- La respuesta de nitruración y carburación es excelente para mejorar las propiedades superficiales
Las adiciones de aleación facilitan el endurecimiento de secciones medianas y grandes si se ejerce un control adecuado de los parámetros del proceso de tratamiento térmico.
Resumen
Las adiciones de aleación de cromo y molibdeno son esenciales para proporcionar las prestaciones del acero aleado 4140:
- El cromo aumenta la templabilidad, la resistencia a la tracción, la tenacidad y la resistencia al desgaste
- El molibdeno mejora la templabilidad, la resistencia mediante endurecimiento por precipitación y la resistencia a la fluencia.
- 1,0-1,1% Cr y 0,2-0,25% Mo ofrecen la combinación óptima de propiedades
- Se requiere un tratamiento térmico adecuado para aprovechar al máximo estos elementos de aleación
Controlando el contenido de cromo y molibdeno, las propiedades del acero 4140 pueden adaptarse para satisfacer los requisitos de alta resistencia, resistencia al desgaste, tenacidad y rentabilidad de aplicaciones específicas.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Cómo mejoran el cromo y el molibdeno las propiedades del acero 4140?
El cromo mejora la templabilidad, la resistencia, la tenacidad, la respuesta al revenido y la resistencia al desgaste. El molibdeno aumenta la templabilidad, la resistencia mediante endurecimiento por precipitación, la resistencia a la fluencia y la maquinabilidad. Juntos proporcionan la combinación óptima de capacidades.
¿Para qué sirve el cromo en la aleación 4140? acero?
Las principales ventajas del cromo son el aumento de la templabilidad para una mayor resistencia a través del espesor, mayores resistencias a la tracción y al límite elástico alcanzables, mayor resistencia al desgaste en la superficie, mejores propiedades a alta temperatura y mejor respuesta a la nitruración/carburación.
¿Para qué sirve el molibdeno en el acero aleado 4140?
El molibdeno mejora la templabilidad para secciones de mayor tamaño, aumenta la resistencia a altas temperaturas mediante el endurecimiento por precipitación, proporciona resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas y ofrece mejor maquinabilidad que los niveles más altos de cromo.
¿Cuáles son los niveles recomendados de cromo y molibdeno?
Las recomendaciones típicas son 0,8-1,1% de cromo para equilibrar la templabilidad y la maquinabilidad, con 0,15-0,25% de molibdeno para efectos combinados de resistencia, resistencia al revenido y vida útil. 1,0% Cr + 0,2% Mo ofrece las mejores propiedades generales.
¿Cómo afecta el cromo a la templabilidad del acero 4140?
El cromo forma carburos duros que restringen las fases blandas, ampliando la formación de martensita a velocidades de enfriamiento más bajas y secciones transversales más grandes. Esto aumenta la templabilidad y permite una mayor resistencia tras el enfriamiento.
¿Qué niveles de resistencia puede alcanzar el 4140 con cromo y molibdeno óptimos?
Con un tratamiento térmico adecuado, el acero 4140 que contiene 1,0-1,1% de Cr y 0,2-0,25% de Mo puede alcanzar resistencias a la tracción superiores a 220 ksi, límites elásticos superiores a 200 ksi y durezas superficiales de hasta 52 HRC.
¿Por qué el cromo es beneficioso para la resistencia al desgaste del acero 4140?
El cromo forma carburos de cromo duros y resistentes a la abrasión en la superficie. También mejora los tratamientos de endurecimiento superficial como el carburizado y la nitruración. El cromo en solución sólida aumenta las propiedades antidesgaste.
¿Cómo mejora el molibdeno la resistencia a la fluencia del acero 4140?
Las partículas precipitadas formadas durante el revenido ayudan a resistir el movimiento de dislocación bajo cargas sostenidas a temperaturas superiores a 500°F. Esto mejora la resistencia a la fluencia y la estabilidad estructural en condiciones de exposición prolongada a temperaturas elevadas.
¿Un mayor contenido de cromo o molibdeno mejora la maquinabilidad?
Los niveles más altos de molibdeno, hasta 0,25%, mantienen mejor la maquinabilidad que el aumento de cromo, que reduce significativamente las velocidades/avances. Sustituir parte del cromo por molibdeno mejora la respuesta de la maquinabilidad.