1. Introducción
4140 El acero es un acero de bajo costo de cromo de la aleación.
Ofrece una excelente combinación de fuerza, tenacidad, y resistencia al desgaste, convirtiéndolo en un candidato ideal para exigir aplicaciones industriales.
Este artículo explora 4140 acero de aleación desde múltiples perspectivas técnicas, incluyendo su composición química, comportamiento mecánico, Respuesta al tratamiento térmico, maquinabilidad, rendimiento de corrosión, y usos comunes.
2. Composición química de 4140 Acero aleado
El rendimiento único de 4140 acero aleado se origina en su composición química cuidadosamente controlada:
| Elemento | Peso % | Papel en las propiedades de acero |
|---|---|---|
| Carbón (do) | 0.38–0.43 | Mejora la fuerza y la enduribilidad |
| Cromo (cr) | 0.8–1.1 | Mejora la dureza, resistencia al desgaste, y corrosión |
| Manganeso (Minnesota) | 0.75–1.0 | Aumenta la dureza y la desoxidación |
| Molibdeno (Mes) | 0.15–0.25 | Mejora la resistencia a la fluencia y la profundidad de endurecimiento |
| Silicio (Y) | 0.15–0.35 | Aumenta la fuerza, mejora ligeramente la dureza |
| Fósforo (PAG) | ≤ 0.035 | Típicamente minimizado para reducir la fragilidad |
| Azufre (S) | ≤ 0.04 | Agregado por maquinabilidad pero puede reducir la dureza |
En comparación con aleaciones similares como 4130 (carbono inferior) y 4340 (níquel más alto), 4140 equilibrar la fuerza y la maquinabilidad, convirtiéndolo en una solución práctica y rentable para muchas aplicaciones estructurales.
3. Propiedades físicas de 4140 Acero
| Propiedad | Valor | Unidad | Notas |
|---|---|---|---|
| Densidad | 7.85 | gramos/cm³ | Típico para aceros de baja aleación |
| Módulo de elasticidad (mi) | ~ 205 | GPa | Rigidez en tensión y compresión |
| Módulo de corte (GRAMO) | ~ 80 | GPa | Útil para aplicaciones torsionales |
| La relación de Poisson | 0.27–0.30 | – | Relación de deformación transversal a tensión axial |
| Conductividad térmica | 42.6 | W/m·K | En 100 °C; disminuye ligeramente con temperaturas más altas |
| Capacidad calorífica específica | 475 | J/kg·K | Aproximado a temperatura ambiente |
| Resistividad eléctrica | 205 | nω · m (medidores de nano-ohm) | Más alto que el hierro puro; baja conductividad en comparación con el cobre |
| Coeficiente de expansión térmica | ~ 12.0 | µm/m · k (20–100 ° C rango) | Importante en el diseño para el ciclo térmico o la estabilidad dimensional |
| Punto de fusión | 1416–1471 | °C | Rango más estrecho debido a elementos de aleación |
4. Propiedades mecánicas de 4140 Acero
AISI 4140 es un acero de aleación de cromo-molibdeno versátil conocido por su excelente resistencia mecánica, tenacidad, y resistencia a la fatiga.
Estos 4140 Las propiedades de acero pueden variar significativamente dependiendo de su condición de tratamiento térmico (p.ej., recocido, normalizado, apagado, o templado).
Tabla de propiedades mecánicas
| Propiedad | recocido | Apagado & Templado (q&t) | Unidad | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Fuerza de producción | ~ 655 MPA | Arriba a 1,600 MPa | MPa (megapascales) | q&T mejora la fuerza significativamente |
| ~ 95 ksi | ~ 232 ksi | ksi (imperial) | ||
| Resistencia a la tracción | 850–1,000 MPA | 1,000–1,100 MPa | MPa | Rango típico después de varios tratamientos térmicos |
| 123–145 ksi | 145–160 ksi | ksi | ||
| Alargamiento en rotura | 25–30% | 12–18% | % | Mayor ductilidad en el estado recocido |
| Reducción en el área | ~ 50% | ~ 45% | % | Indicador de ductilidad y formabilidad |
| Dureza (Rockwell C) | 18–28 HRC | Hasta 50–55 hrc | CDH | Muy receptivo al enfriamiento y templado |
| Hardedad de Charpy V-Notch | >54 j (recocido) | 20–35 j (q&T a alta dureza) | Julios | Rendimiento en aplicaciones de carga de impacto |
| Resistencia a la fatiga (Límite de resistencia) | ~ 420 MPA | Arriba a 700 MPa | MPa | Depende del acabado superficial y los ciclos de carga |
| Módulo de elasticidad (mi) | ~ 205 GPA | – | GPa | La rigidez permanece constante en todas las condiciones |
5. Comportamiento del tratamiento térmico de 4140 Acero aleado
AISI 4140 El acero de aleación es muy receptivo a una variedad de procesos de tratamiento térmico, Permitirle lograr un amplio espectro de propiedades mecánicas adaptadas a aplicaciones de ingeniería específicas.
Su contenido de cromo y molibdeno aumenta su enduribilidad, haciéndolo especialmente adecuado para las operaciones de apagado y templado.
Procesos de tratamiento térmico comunes
| Proceso | Rango de temperatura típico (°C) | Objetivo |
|---|---|---|
| Recocido | 760–790 ° C | Refina la estructura de grano, suaviza el acero, Mejora la maquinabilidad |
| Normalizando | 870–900 ° C | Aumenta la uniformidad, refina la estructura, Mejora la consistencia mecánica |
| Temple | ~ 845–875 ° C, seguido de aceite/agua/polímero. | Produce una estructura martensítica para la alta dureza y la fuerza |
| Templado | 400–650°C (después de la cita) | Ajusta la dureza, alivia el estrés interno, Mejora la ductilidad & tenacidad |
| Temple del este | Apagarse a 260–400 ° C, mantener hasta la transformación | Produce estructura bainítica, reduce la distorsión, equilibra la intensidad de la fuerza |
6. Maquinabilidad y fabricación de 4140 Acero
maquinabilidad
Material 4140 El acero exhibe una maquinabilidad moderada en su estado recocido y se vuelve más desafiante a medida que aumenta la dureza.
En la condición recocida (típicamente alrededor de 18–22 hrc), Se puede mecanizar con herramientas de acero o carburo de alta velocidad., produciendo buenos acabados superficiales y vida útil aceptable de herramientas.
Sin embargo, Una vez que el acero se apaga y se templa a niveles más altos de dureza (como 30–50 hrc), Su maquinabilidad disminuye.
En esta etapa, Herramientas de carburo, velocidades de corte más bajas, y las configuraciones rígidas de las máquinas se vuelven esenciales para evitar el desgaste de la herramienta y la distorsión de la pieza.
Para torneado CNC, molienda, o operaciones de perforación, El uso de métodos de enfriamiento adecuados, comparante con inundación particularmente, las manejaciones disipan el calor y mejoran la evacuación de la chip.
Perforación más dura 4140 Las secciones a menudo requieren herramientas de cobalto o con punta de carburo, mientras que las piezas endurecidas pueden beneficiarse de la fresado de los hilos o la formación de grifos en lugar de los grifos de corte convencionales.
Soldadura
Soldadura 4140 El acero requiere precaución debido a su alta enduribilidad y riesgo de agrietarse.
Para mitigar estos riesgos, Precaliente la pieza de trabajo, típicamente a 200–400 ° C dependiendo del grosor, se recomienda encarecidamente.
Mantener una temperatura de entrepasas alrededor de 200–300 ° C ayuda a prevenir el choque térmico y el agrietamiento inducido por hidrógeno.
Después de soldar, Aliviar el estrés el componente a aproximadamente 600–650 ° C ayuda a restaurar la ductilidad y reducir las tensiones residuales.
Los electrodos de bajo hidrógeno, como E8018-B2 o ER80S-D2, se usan típicamente para material de relleno para garantizar la compatibilidad y reducir la porosidad.
En aplicaciones críticas, Tratamiento térmico posterior a la soldado (PWHT) es necesario para mantener la integridad y la dureza de la zona soldada.
Formación fría y caliente
4140 El acero de aleación puede ser frío en su estado recocido, Aunque su mayor resistencia en comparación con los aceros bajos en carbono limita su ductilidad.
Los procesos de formación de frío como el dibujo y el balance son posibles, pero requieren fuerzas más altas y pueden inducir tensiones residuales que requieren un tratamiento térmico posterior..
Trabajo caliente, incluyendo forja y rodillo caliente, es más favorable para el acero 4140.
El rango de temperatura de falsificación ideal es de entre 900 ° C y 1200 ° C, con el material típicamente terminado por encima de 850 ° C.
Después de formar en caliente, Se recomienda normalizar o recocer para refinar la estructura de grano y preparar el acero para el mecanizado o tratamiento térmico final.
7. Resistencia a la corrosión de 4140 Acero
Mientras 4140 El acero de aleación sobresale en resistencia mecánica, carece de resistencia a la corrosión inherente.
En ambientes húmedos o marinos, se oxida fácilmente a menos que esté protegido. Para contrarrestar esto, tratamientos superficiales como:
- nitruración Para el endurecimiento de la superficie y la resistencia a la oxidación
- Recubrimiento de óxido negro Para la protección de la corrosión de la luz
- Electroplatación o pintura En entornos de alta humedad
8. Formas y estándares comunes
4140 Alloy Steel está disponible en una amplia variedad de formularios comerciales para acomodar diversas aplicaciones industriales.
Su disponibilidad en diferentes formas, combinado con sus excelentes propiedades mecánicas y versatilidad del tratamiento térmico, la convierte en una opción popular tanto en componentes estándar como personalizados.
Formas comunes de 4140 Acero
Los fabricantes y fabricantes pueden obtener 4140 acero en numerosas formas, dependiendo del uso previsto y el procesamiento requerido:
- Barras redondas: Comúnmente utilizado para ejes, patas, engranajes, y sujetadores, Las barras redondas son una de las formas de acero más suministradas. 4140 Debido a su versatilidad en el mecanizado y el tratamiento térmico..
- Barras y placas planas: Ideal para herramientas, usar componentes, y piezas estructurales que requieren grandes áreas de contacto de superficie.
Estas formas también son adecuadas para el corte de llamas o el procesamiento de chorro de agua. - Anillos y discos forjados: Utilizado en maquinaria giratoria de alta resistencia, como carreras de rodamiento, acoplamientos, y bridas.
- Barras y tubos huecos: Preferido en aplicaciones que exigen reducción de peso mientras mantienen la fuerza, tales como cilindros hidráulicos y piezas que contienen presión.
- Bloques y palanquillas: Adecuado para mecanizado personalizado y grandes componentes forjados. Estos se usan típicamente en equipos industriales pesados y de matriz.
Estándares y designaciones de la industria para 4140 Acero
| Organización estándar | Designación | Región/país | Descripción |
|---|---|---|---|
| ASTM | ASTM A29 | Estados Unidos | Especificación general para barras de carbono y aceros de aleación en caliente |
| ASTM | ASTM A322 | Estados Unidos | Especificación para barras de acero de aleación utilizadas en aplicaciones mecánicas |
| ASTM | ASTM A519 | Estados Unidos | Especificación para tubos mecánicos de acero de carbono y aleación sin costura |
SAE |
SAE 4140 | Estados Unidos | Cromo-Molybdeno de acero de baja aleación para aplicaciones automotrices e de ingeniería |
| AISI | AISI 4140 | Estados Unidos | Designación comúnmente utilizada alineada con SAE 4140 |
| EN / DE | 1.7225 / 42CRMO4 | Europa / Alemania | Equivalente europeo bajo en 10083 Para acerados de apagado y temperamento |
| ÉL | SCM440 | Japón | Equivalente japonés para acero de aleación de alta resistencia |
| ES | 42CRMO | Porcelana | Equivalente chino con propiedades mecánicas similares |
9. Aplicaciones de 4140 Acero aleado
Acero 4140 es un material de referencia en aplicaciones que requieren resistencia, tenacidad, y resistencia al desgaste bajo fatiga y carga de choque:
- Automotor: engranajes, cigüeñales, barras de unión, ejes
- Aeroespacial: componentes del tren de aterrizaje, actuadores
- Aceite & Gas: collar de perforación, piezas de fracturación hidráulica
- Fabricación: mandreles, muere, moldes, portaherramientas
Estudio de caso: En una prueba de fatiga comparativa, un acero 4140 q&T eje de engranaje demostrado 10x La vida útil de un diseño similar hecho de acero suave, destacando su valor a largo plazo.
10. Ventajas y limitaciones de 4140 Acero aleado
Ventajas:
- Alto fuerza a peso Relación para aplicaciones estructurales
- Excelente resistencia al desgaste Después de endurecer
- Tratamiento térmico versátil respuesta
- Fácilmente disponible en múltiples formularios y estándares
Limitaciones:
- No adecuado para entornos corrosivos sin protección de la superficie
- Requerimiento soldadura cuidadosa prácticas para evitar agrietarse
- Mayor costo y complejidad que los aceros de carbono simples
11. Conclusión
4140 Alloy Steel ofrece una mezcla convincente de resistencia mecánica, tenacidad, y resistencia al desgaste, haciéndolo indispensable en aplicaciones de ingeniería crítica de rendimiento.
Cuando se trata correctamente y protegido por el calor, Ofrece una vida útil excepcional en condiciones de operación exigentes.
Ya sea para el sector aeroespacial, energía, o componentes de herramientas, material 4140 El acero sigue siendo uno de los materiales más confiables y capaces en la fabricación moderna.
Los ingenieros que comprenden sus requisitos de comportamiento y procesamiento pueden aprovechar completamente su potencial.
ESTE es la opción perfecta para sus necesidades de fabricación si necesita alta calidad 4140 piezas de acero.
