Acero 40Cr: Equivalencias, propiedades, grado, tratamiento térmico

El 40Cr es un acero estructural de aleación de cromo y contenido medio de carbono, muy indicado para piezas que requieren un equilibrio entre resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste después del temple y revenido. Suele considerarse equivalente al DIN 41Cr4 / W. Nr. 1.7035 y al AISI/SAE 5140 en muchas cadenas de suministro y, con un tratamiento térmico adecuado, alcanza una buena dureza (normalmente ~28-36 HRC tras Q+T para secciones comunes) y un comportamiento fiable a la fatiga para ejes, engranajes y componentes de conexión. Utilice 40Cr cuando necesite una aleación moderada más templabilidad y siga las directrices EN/DIN o ASTM para los criterios de aceptación mecánica y los programas de tratamiento térmico.

¿Qué es 40Cr?

El acero 40Cr es un acero de aleación de cromo y carbono medio de la familia china GB diseñado para temple y revenido. Combina un contenido moderado de carbono con cromo para aumentar la templabilidad y la resistencia al desgaste manteniendo un coste y una mecanizabilidad razonables. Esta calidad se utiliza para componentes estructurales de resistencia media que posteriormente se someten a tratamiento térmico para obtener un equilibrio controlado de resistencia y tenacidad, como ejes, árboles, acoplamientos, engranajes y pernos pesados. En la práctica internacional, esta calidad suele tener referencias cruzadas con 41Cr4 (DIN/Nr. W. 1.7035) y SAE/AISI 5140, aunque la composición química y las tolerancias permitidas pueden variar ligeramente de una norma a otra; compruebe siempre la composición exacta y los resultados de los ensayos mecánicos en el certificado del laminador suministrador.

Composición química y microestructura

A continuación se muestra una tabla de composición química condensada y práctica que muestra los rangos típicos utilizados para 40Cr (GB) con una correspondencia directa con DIN 41Cr4 / 1.7035 y el homólogo SAE común. Estas gamas son la guía de trabajo utilizada por los laminadores y las empresas de tratamiento térmico. Compruebe siempre el certificado de laminación (informe de ensayo de laminación) para el lote suministrado real.

Cuadro 1: Composición química típica (porcentaje en masa)

Notas sobre la microestructura: En estado normalizado o templado y revenido, la microestructura ideal para el 40Cr es la martensita revenida (o bainita en secciones más gruesas), con carburos distribuidos uniformemente. El cromo favorece la templabilidad y afina la distribución de los carburos, mejorando la resistencia al desgaste y la vida a fatiga.

Propiedades mecánicas y rendimiento

Las propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico. En la tabla siguiente se indican los valores típicos de las propiedades para las condiciones habituales utilizadas en el diseño técnico. Estos valores son rangos típicos ilustrativos utilizados por diseñadores y tratadores térmicos. Para trabajos contractuales, utilice las cifras exactas de la especificación de compra aplicable y el informe de ensayo del material.

Cuadro 2: Propiedades mecánicas típicas (valores representativos)

Si se compara con las calidades occidentales habituales, como la AISI 4140, el 40Cr muestra un rendimiento muy similar una vez que se controla el tratamiento térmico. Las diferencias en las tolerancias de aleación, los oligoelementos y el procesamiento implican que especificar explícitamente los requisitos de dureza, tenacidad y fatiga en los documentos de compra es la mejor práctica.

Tratamiento térmico: programas prácticos y efectos

El 40Cr está destinado al temple y revenido. La dureza y la tenacidad se controlan mediante una combinación de temperatura de austenización, medio de temple y temperatura/tiempo de revenido.

Tabla 3 - Ventanas típicas de tratamiento térmico y dureza resultante (orientación práctica)

Recomendaciones prácticas

• Para ejes, secciones medianas y piezas que requieren ~30-36 HRC, una receta común es austenizar a 830-850 °C, templar en aceite, revenir a 500-550 °C durante 1-2 horas (ajustar el tiempo al tamaño de la sección).

• Para piezas que necesiten mayor tenacidad con menor resistencia, utilice el revenido a temperaturas más altas (550-650 °C) para obtener ~20-30 HRC.

• En el caso de piezas finas o formas complejas, hay que tener cuidado para evitar el agrietamiento por enfriamiento rápido; el enfriamiento escalonado y el control del espesor de la sección son medidas paliativas habituales.

Endurecimiento y tamaño de la sección: El cromo aumenta la templabilidad. Las barras y piezas forjadas típicas de 40Cr pueden templarse en aceite con éxito hasta diámetros moderados sin pérdida de uniformidad de las propiedades mecánicas. Para secciones muy grandes, considere el preendurecimiento, el endurecimiento por inducción o especifique grados de aleación más altos (por ejemplo 42CrMo4) si se requiere endurecimiento pasante.

Equivalencias y referencias internacionales

40Cr es una designación regional. Los equivalentes que figuran a continuación se citan habitualmente en las tablas de referencias cruzadas utilizadas por las fábricas y los proveedores de materiales. Tenga en cuenta que la equivalencia es aproximada y que la aceptación debe basarse en las propiedades químicas y mecánicas estipuladas en el contrato.

Cuadro 4 - Equivalentes en bruto

Notas: Muchos proveedores indican 40Cr = 41Cr4 = 5140 en sus catálogos. La variante EN puede aparecer como 41Cr4 o bajo las condiciones técnicas de suministro EN 10083-3. Compruebe las tolerancias de C, Cr y Mn: las pequeñas variaciones influyen en la respuesta del tratamiento térmico.

Comparación: 40Cr vs 4140 vs 42CrMo4

• 40Cr vs AISI/SAE 5140 / 4140: El 40Cr y el 5140/4140 están próximos en contenido de carbono y cromo; el 4140 suele contener molibdeno y niveles de Mn/Si ligeramente diferentes según la especificación, lo que aumenta la tenacidad y la resistencia a altas temperaturas. Para muchas piezas mecánicas, el 40Cr y el 5140 son intercambiables si el comprador acepta las garantías químicas y mecánicas. Si la aplicación tiene una alta exposición a la fatiga o a temperaturas elevadas, prefiera el 4140 o el 42CrMo4 por el mejor equilibrio de aleación.

• 40Cr vs 42CrMo4: 42CrMo4 contiene molibdeno y un equilibrio de aleación ligeramente diferente; ofrece mayor templabilidad y tenacidad en secciones grandes y mayor resistencia al revenido. Utilice 42CrMo4 cuando necesite una mayor resistencia al núcleo en secciones gruesas o una mejor resistencia al impacto.

Consejo de diseño: Especifique en el pedido la dureza/resistencia requerida tras el tratamiento térmico y los límites mecánicos, en lugar de mencionar únicamente un grado equivalente. Así se reduce el riesgo de que los proveedores utilicen productos químicos ligeramente diferentes.

Maquinabilidad, soldadura y tratamientos superficiales

Maquinabilidad:
En estado normalizado, el 40Cr se mecaniza razonablemente bien para una aleación de carbono medio. La maquinabilidad disminuye después del temple y revenido a una mayor dureza. Para el mecanizado pesado, normalizar o utilizar un recocido intermedio antes del corte de gran volumen. Las plaquitas de metal duro y la fijación rígida ayudan al corte en condiciones de mayor dureza.

Soldadura:
La soldadura de 40Cr requiere precalentamiento y tratamiento térmico posterior en muchos casos debido al contenido de carbono y la templabilidad. Para fabricaciones pequeñas y no críticas, precalentar a 150-250 °C y utilizar temperaturas entre pasadas controladas. Para ensamblajes soldados de gran tamaño o críticos para la seguridad, alivie la tensión o realice un PWHT de acuerdo con el código de soldadura aplicable. Evitar la soldadura cuando el diseño espere propiedades uniformes de temple y revenido en toda la zona soldada, a menos que se especifique el procedimiento de soldadura y el PWHT.

Tratamientos superficiales:
Los acabados más comunes incluyen el carburizado para las superficies de desgaste (cuando se necesita una carcasa dura y un núcleo dúctil), el endurecimiento por inducción de zonas locales, la nitruración para mejorar la fatiga superficial y la resistencia a la corrosión, y los acabados fosfatados o galvánicos para proteger de la corrosión durante el almacenamiento y el montaje.

Inspección, pruebas y control de calidad

Para componentes críticos, especifíquese:

• Informe de la prueba de molienda (MTR) que muestra la química del lote y el registro del tratamiento térmico.

• Resultados de los ensayos mecánicos en las condiciones de entrega (tracción, límite elástico, alargamiento, dureza).

• Valores de impacto Charpy V-notch a temperaturas especificadas cuando la tenacidad es crítica.

• Ensayos no destructivos (partículas magnéticas, UT, radiografía) para piezas forjadas o secciones críticas.

• Aceptación metalográfica de la microestructura y del índice de inclusión (cuando sea necesario).

Normas como la EN 10083 (aceros para temple y revenido) o normas de compra específicas de la ASTM definen criterios de aceptación para muchas aplicaciones. Utilícelos para definir los puntos de retención de la inspección y los límites de aceptación.

Aplicaciones típicas y consideraciones técnicas

Piezas comunes fabricadas con 40Cr:

• Árboles de transmisión, engranajes de transmisión, acoplamientos y ejes.

• Piezas de máquinas herramienta como husillos, pasadores, mandriles.

• Piezas de maquinaria de construcción: pasadores, bujes y eslabones de alto desgaste.

• Componentes mecánicos generales que requieren una combinación de resistencia y tenacidad después de Q+T.

Consideraciones de ingeniería:

• Fatiga: Si las piezas están sometidas a cargas cíclicas elevadas, especifique los límites de fatiga o exija el granallado y el acabado superficial controlado para aumentar la vida útil.

• Desgaste: Para superficies deslizantes/desgastadas, considere un enfoque de endurecimiento local de la superficie en lugar de endurecer todo el componente.

• Efectos de tamaño: Las secciones de gran tamaño requieren ciclos de tratamiento térmico ajustados y, posiblemente, diferentes grados de endurecimiento.

• Corrosión: El 40Cr no es inoxidable; protéjalo donde la corrosión pueda degradar el rendimiento.

Lista de control práctica

1. Especifique la condición final requerida: rango de dureza (HRC o HB), tracción/rendimiento, energía Charpy (si es necesario).

2. Insista en el informe de la prueba de laminación con los registros reales de la química y el tratamiento térmico.

3. Defina los equivalentes permitidos e indique si son aceptables pequeñas desviaciones en la química.

4. Exigir criterios de aceptación de END y (si es necesario) metalografía.

5. Incluya los requisitos de acabado, tratamiento superficial y embalaje.

6. Si se requiere soldadura, especificar procedimiento de soldadura y PWHT.

Ejemplo

Un proveedor ofrece un lote de ejes de 40Cr para equipos agrícolas. El plano exige 32-36 HRC y Charpy V-notch ≥ 27 J a temperatura ambiente. El comprador debe exigir: MTR completo, informes Charpy de muestra, mapa de dureza para múltiples ejes y una inspección por testigos o un control de laboratorio de terceros para una muestra de primera pieza. Si los datos muestran una tenacidad insuficiente, solicite el revenido a una temperatura más alta para mejorar la energía de impacto a expensas de algo de dureza.

Normas y referencias autorizadas

El 40Cr y sus equivalentes se tratan en varias normas internacionales. Al especificar, haga referencia a la norma aplicable y a la edición/fecha.

Entre las principales normas y documentos de referencia figuran:

• Familia EN 10083 (aceros para temple y revenido) y variantes nacionales.

• Fichas técnicas DIN 17200 / 41Cr4 (N.W. 1.7035) para orientación mecánica y tratamiento térmico.

• Hojas de datos publicadas por el proveedor, como MatWeb, y laboratorios acreditados para obtener datos mecánicos comparativos.

• Tablas de equivalencia publicadas por proveedores y laboratorios metalúrgicos acreditados.

Para la contratación o el diseño definitivos, cite siempre la norma y la revisión exactas utilizadas en el contrato.

Preguntas frecuentes

1. ¿Es 40Cr lo mismo que 5140 o 4140?
   Son similares, pero no idénticos. El 40Cr (GB) suele corresponderse con el 41Cr4 (DIN 1.7035) y a menudo se considera similar al SAE 5140 o al AISI 4140. Las diferencias en los oligoelementos y los rangos admisibles hacen que sea esencial verificar el MTR y las propiedades mecánicas antes del intercambio.

2. ¿Qué dureza puedo esperar tras el temple y revenido?
   La dureza templada y revenida típica para muchas piezas de 40Cr es de 28-36 HRC cuando se utilizan recetas comunes. La dureza final depende de la temperatura de austenización, el medio de temple y el programa de revenido.

3. ¿Puede carburizarse el 40Cr?
   Sí. El 40Cr responde bien a la cementación en caja seguida de temple y revenido, produciendo una superficie dura y resistente al desgaste con un núcleo tenaz. Los parámetros del proceso deben elegirse para evitar una distorsión excesiva.

4. ¿Está bien soldar en 40Cr?
   La soldadura requiere cuidado. Se recomiendan temperaturas de precalentamiento y entre pasadas controladas, y puede ser necesaria la PWHT para componentes críticos debido a la templabilidad y el contenido de carbono.

5. ¿Cuándo debo preferir 42CrMo4 a 40Cr?
   Elija 42CrMo4 cuando requiera un mayor endurecimiento en secciones grandes, mayor tenacidad o temperaturas de servicio más elevadas, debido a su contenido en Mo y a un mejor equilibrio de la aleación.

6. ¿Qué pruebas debo exigir en el momento de la entrega?
   Como mínimo, exija MTR, ensayos de tracción, mediciones de dureza y cualquier ensayo NDT o de impacto especificado en la orden de compra. Para piezas críticas, añada metalografía y muestreo mecánico adicional.

7. ¿Cómo afecta el tamaño de la sección al tratamiento térmico?
   Las secciones más grandes necesitan tiempos de inmersión más largos y pueden requerir diferentes estrategias de enfriamiento para evitar núcleos blandos o austenita retenida; considere el endurecimiento superficial por inducción si es imposible un endurecimiento uniforme.

8. ¿Es adecuado el 40Cr para aplicaciones de alta temperatura?
   El 40Cr no es una aleación resistente al calor. Para obtener resistencia a temperaturas elevadas, considere los aceros aleados diseñados específicamente para servicio a temperatura.

9. ¿Qué acabados se aplican habitualmente al 40Cr?
   Carburación, nitruración, endurecimiento por inducción, fosfatado para proteger contra la corrosión durante el almacenamiento y chapado cuando la protección contra la corrosión es esencial.

10. ¿Cómo garantizar una calidad constante de los proveedores?
    Utilizar proveedores certificados, especificar normas y pruebas, exigir MTR trazables y considerar auditorías periódicas por terceros de los procesos de tratamiento térmico.

Resumen rápido y lista de control para la selección final

El 40Cr es una aleación versátil de cromo y carbono medio adecuada para muchas piezas mecánicas después del temple y revenido. Utilícela cuando la aleación moderada, la templabilidad controlada y la rentabilidad sean prioritarias. Para grandes secciones endurecidas, alta resistencia a la fatiga o temperaturas más elevadas, evalúe alternativas de aleación superior. Incluya siempre los objetivos mecánicos, las condiciones de tratamiento térmico y los requisitos de inspección en los documentos de contratación.

Referencias autorizadas

• Grados equivalentes de metal (Star Rapid) - Tabla de equivalencias en PDF para 40Cr / 5140 / 41Cr4
• Hoja de datos del acero aleado AISI 4140 - MatWeb (propiedades comparativas de las aleaciones de la serie 4000)
• 41Cr4 propiedades químicas y mecánicas - Lucefin / ficha técnica (referencia DIN/EN)