Para muchas piezas de ingeniería de uso general que requieren una combinación equilibrada de tenacidad, maquinabilidad y resistencia a la fatiga, AISI 4140 es la opción más versátil y utilizada. Por ejemplo, en ejes de gran diámetro, componentes de fondo de pozo y piezas forjadas de gran resistencia. AISI 4145 (y sus variantes modificadas o con mayor contenido de carbono) suele ser la opción preferida. Las dos aleaciones son aceros al cromo-molibdeno estrechamente relacionados, pero pequeñas diferencias en el carbono y el procesamiento conducen a distintas compensaciones de rendimiento que deben guiar la selección de materiales.
Instantánea técnica rápida y comparación ejecutiva
Tanto el AISI 4140 como el AISI 4145 pertenecen a la serie AISI/SAE 4000 de aceros de baja aleación al cromo-molibdeno. Comparten los mismos elementos de aleación principales (Cr, Mo, Mn, Si), por lo que la metalurgia de base es similar, pero El 4145 suele tener un mayor contenido nominal de carbono que las composiciones comunes de 4140. Este mayor contenido de carbono aumenta la resistencia y la templabilidad a expensas de una pequeña reducción de la tenacidad y, a veces, de la mecanizabilidad. En la práctica, esto significa que el 4145 puede alcanzar mayores niveles de endurecimiento total con un programa de temple y revenido determinado, lo que resulta útil para secciones transversales grandes y piezas sometidas a grandes esfuerzos.
Composición química (gamas típicas y su significado)
A continuación se indican las composiciones nominales más comunes de las dos calidades. Tenga en cuenta que los productores pueden suministrar análisis ligeramente diferentes y que pueden existir normas o variantes "modificadas" (por ejemplo, 4145H, 4145M). Consulte los certificados de fábrica para conocer la composición química exacta de cualquier lote de compra.
Composición química típica (rangos nominales, wt%)
| Elemento | AISI 4140 (típico) | AISI 4145 (típico) |
|---|---|---|
| Carbono (C) | 0.38 - 0.43 | 0.43 - 0.48 |
| Cromo (Cr) | 0.80 - 1.10 | 0.80 - 1.10 |
| Molibdeno (Mo) | 0.15 - 0.25 | 0.15 - 0.25 |
| Manganeso (Mn) | 0.60 - 1.00 | 0.75 - 1.00 |
| Silicio (Si) | 0.15 - 0.35 | 0.15 - 0.30 |
| Azufre (S) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| Fósforo (P) | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Hierro (Fe) | saldo | saldo |
La diferencia más significativa es la ventana de carbono. Un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia a la tracción y la dureza potencial tras el temple y revenido; también aumenta ligeramente la templabilidad y reduce el tamaño de sección necesario para alcanzar la dureza deseada. Esta característica es la razón por la que las variantes 4145 se eligen a menudo para piezas de mayor diámetro y componentes forjados pesados.
Propiedades mecánicas y microestructura tras el tratamiento térmico
Los valores mecánicos varían con el tratamiento térmico, el tamaño de la sección y el procesamiento del proveedor. Los rangos típicos que se indican a continuación deben utilizarse únicamente como orientación; exija siempre informes de las pruebas de laminación y, en el caso de piezas críticas, realice pruebas de aceptación.
Propiedades mecánicas representativas (estado templado y revenido, gamas indicativas)
| Propiedad | AISI 4140 (QT típico) | AISI 4145 (QT típico) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | 750 - 1.350 (depende del temperamento) | 800 - 1,500 |
| Límite elástico (0,2% offset, MPa) | ~500 - 1,200 | ~550 - 1,250 |
| Alargamiento (%) | 10 - 20 | 8 - 18 |
| Reducción de superficie (%) | 30 - 60 | 25 - 55 |
| Dureza (HRC tras endurecimiento/templado) | 20 - 60 (gama amplia) | 25 - 62 (puede alcanzar un HRC más alto en secciones grandes) |
Microestructura: tras la austenitización y el enfriamiento rápido, ambos aceros forman martensita con carburos retenidos en función de la velocidad de enfriamiento. El revenido reduce la dureza y refina la tenacidad mediante la precipitación de carburos y las transformaciones de revenido. Como el 4145 tiende a tener más carbono, la dureza martensítica para una temperatura de revenido dada será superior a la del 4140.
Endurecimiento, prácticas de tratamiento térmico y notas de procesamiento
Endurecimiento
La templabilidad describe la capacidad del acero para formar martensita a través de una sección durante el temple. El contenido de carbono ligeramente superior del 4145 aumenta la templabilidad y la dureza alcanzable en profundidad. Esta propiedad suele ser decisiva en secciones grandes que requieren una gran dureza (ejes, componentes de herramientas de fondo de pozo).
Ventanas típicas de tratamiento térmico
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Austenizar (común): 800 - 860°C (1475 - 1580°F) dependiendo del tamaño de la sección y de la recomendación del proveedor.
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Medio de enfriamiento: El temple en aceite es habitual para ambas aleaciones; para secciones finas o cuando debe minimizarse la distorsión, a veces se utiliza el temple en polímero o el enfriamiento controlado por gas.
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Temperamento: temperatura de revenido seleccionada para alcanzar el equilibrio deseado entre dureza y tenacidad (por ejemplo, 200-650°C). Un revenido más elevado reduce la resistencia pero aumenta la tenacidad. El 4145 a menudo requiere un temple cuidadoso para evitar la fragilización por revenido en determinados rangos de temperatura para un servicio crítico.
Nota práctica: Dado que el 4145 se utiliza mucho en el sector del petróleo y el gas y en equipos pesados, los proveedores suelen suministrarlo templado y revenido con la dureza especificada. Los rangos típicos de dureza suministrados para el 4145 pueden ser de 30-36 HRC para algunos aceros de fondo de pozo, aunque pueden procesarse niveles de dureza superiores cuando sea necesario.
Formas de producto, condiciones de suministro y normas
Formas comunes de suministro:
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Barras redondas (rectificadas, torneadas o forjadas)
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Forjas y palanquillas para ejes y acoplamientos
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Tubos y tuberías de revestimiento para determinados usos especializados
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Planchas y barras en algunas fábricas
Entre las normas y especificaciones comunes que hacen referencia a estos grados se incluyen los listados SAE/AISI, diversas referencias ASTM para tuberías y revestimientos, y especificaciones de materiales de campos petrolíferos para componentes de fondo de pozo. Algunos campos también hacen referencia a formas modificadas (4145H, 4145M) que ajustan la química o el procesamiento para mejorar el rendimiento. Los proveedores suelen indicar los números UNS: 4140 → UNS G41400, 4145 → UNS G41450.
Consideraciones sobre soldadura, mecanizado y tratamiento de superficies
Soldadura
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Se recomienda precalentar antes de soldar para reducir los gradientes térmicos y evitar el agrietamiento, especialmente en 4145 debido al mayor contenido de carbono y a su mayor templabilidad. Precalentamiento típico: 150-300°C dependiendo del espesor y del diseño de la unión. El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) puede ser obligatorio para componentes críticos o de alta resistencia.
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Utilizar consumibles de bajo contenido en hidrógeno y seguir los procedimientos de soldadura aprobados. Cuando se suelda en el estado templado y revenido, un PWHT puede restaurar la tenacidad.
Mecanizado
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Ambos aceros se mecanizan razonablemente bien en estado recocido; la maquinabilidad disminuye a mayor dureza. El carbono ligeramente superior del 4145 puede hacer que el mecanizado de material de alta dureza sea más exigente. Es esencial disponer de las herramientas, el refrigerante y las velocidades adecuadas.
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Cuando se requiere un control dimensional estricto después del temple y revenido, desbaste hasta la tolerancia, tratamiento térmico y, a continuación, mecanizado de acabado final.
Tratamientos superficiales
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La cementación en caja no suele aplicarse a estas aleaciones de cromo-molibdeno a granel; las aleaciones suelen endurecerse mediante tratamientos de temple pasante. Los tratamientos superficiales típicos incluyen la nitruración (para algunas condiciones de servicio), el granallado, el endurecimiento por inducción para las superficies de desgaste local y el chapado/revestimiento para la protección contra la corrosión cuando sea necesario.
Selección en función de la aplicación: cuándo elegir 4140 o 4145
Elija AISI 4140 cuando:
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La pieza requiere una combinación equilibrada de tenacidad y ductilidad con una resistencia de moderada a alta.
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La maquinabilidad y la rentabilidad del acabado son prioritarias.
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Los componentes están sometidos a cargas dinámicas, fatiga o tensiones de torsión (ejes, engranajes, husillos, elementos de fijación en muchas industrias).
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Usted prefiere una calidad ampliamente estandarizada y disponible con muchas formas de suministro y prácticas establecidas de mecanizado/tratamiento térmico.
Elija AISI 4145 cuando:
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Se requiere una mayor templabilidad y una dureza alcanzable ligeramente superior, sobre todo en secciones transversales grandes.
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El servicio implica cargas estáticas elevadas sostenidas o desgaste donde es útil una microestructura más dura y de mayor resistencia después del temple/destemple (ejes de servicio pesado, componentes de perforación de yacimientos petrolíferos, herramientas de fondo de pozo).
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Un proveedor ofrece 4145 en tratamiento térmico adaptado y certificación para una especificación de petróleo y gas o una aplicación de forja.
Control de calidad, pruebas e inspección
Para los componentes críticos, exija y revise:
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Certificados de fábrica con análisis químicos reales.
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Mapas de dureza a través de las secciones después del tratamiento térmico (verificar el HRC o HB objetivo).
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Pruebas de tracción e impacto (Charpy V-notch) a las temperaturas pertinentes para el servicio dinámico.
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Ensayos no destructivos (UT, MPI) para piezas forjadas y ensamblajes soldados.
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Controles metalográficos para confirmar el tamaño del grano, la distribución de la martensita templada y la ausencia de defectos críticos como inclusiones excesivas o segregación.
Para el uso en fondo de pozo de petróleo y gas, las especificaciones del proyecto pueden exigir ensayos adicionales de fatiga o de mecánica de fractura.
Tablas comparativas
Comparación resumida (matriz de decisión)
| Criterio | AISI 4140 | AISI 4145 |
|---|---|---|
| Carbono típico | Moderado (0,38-0,43) | Ligeramente superior (0,43-0,48) |
| Endurecimiento | Bien | Mejor (útil para secciones grandes) |
| Dureza | Ligeramente superior | Ligeramente inferior con dureza comparable |
| Maquinabilidad (recocido) | Bien | Bueno (pero grados más difíciles de mecanizar) |
| Usos típicos | Ejes, engranajes, pasadores, ingeniería general | Ejes pesados, herramientas de perforación, piezas forjadas de gran tamaño |
| Control del tratamiento térmico | Bien establecido | Requiere un templado cuidadoso para algunos usos |
| Disponibilidad | Muy disponible | Ampliamente disponible; muchas fábricas ofrecen variantes |
Notas típicas sobre el tratamiento térmico (referencia rápida)
| Etapa del proceso | 4140 típico | 4145 típico |
|---|---|---|
| Austenitize | 800-860°C | 800-860°C |
| Quench | Aceite (comúnmente) | Aceite (comúnmente); las secciones más grandes requieren un enfriamiento cuidadoso) |
| Temple | 200-650°C dependiendo de la dureza del objetivo | 200-650°C; elegir un revenido superior para recuperar la tenacidad si es necesario |
Lista práctica de selección
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Confirme dureza requerida y si esa dureza debe conseguirse mediante el grosor.
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Consulte sección transversal de diseño: las secciones grandes favorecen una mayor templabilidad.
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Defina tipo de carga de serviciofatiga dinámica e impacto favorecen la tenacidad del 4140; las cargas estáticas o de gran desgaste pueden favorecer la resistencia del 4145.
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Solicite al proveedor certificado de molino con registros químicos y de tratamiento térmico.
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Si se trata de soldadura, incluya requisitos de precalentamiento/PWHT en dibujos.
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Para las piezas críticas, exigir ensayos de impacto Charpy a la temperatura de servicio prevista.
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En el caso del petróleo y el gas, confirme el cumplimiento de las especificaciones industriales pertinentes y la trazabilidad.
Preguntas frecuentes
P1: ¿Son intercambiables los modelos 4140 y 4145?
Respuesta corta: son similares y a veces intercambiables para piezas no críticas, pero no son idénticas. En el caso de componentes críticos, compruebe la composición química, las propiedades mecánicas y las certificaciones de tratamiento térmico antes de sustituirlos.
P2: ¿Qué grado es más resistente en los ensayos de tracción?
En condiciones de revenido comparables, el 4145 tiende a alcanzar una resistencia a la tracción ligeramente superior debido al mayor contenido de carbono, aunque la resistencia real depende en gran medida del revenido, el enfriamiento rápido y el tamaño de la sección.
P3: ¿Qué calidad es mejor para ejes de gran diámetro?
El 4145 se prefiere con frecuencia cuando se requiere alta dureza y resistencia a través de grandes secciones porque ofrece una mejor templabilidad.
P4: ¿Es un acero más fácil de soldar?
En general, se considera que el 4140 es ligeramente más fácil de soldar debido a su contenido marginalmente inferior de carbono. Con precalentamiento y consumibles adecuados, ambos pueden soldarse, pero podría ser necesario un PWHT en casos de servicio crítico.
P5: ¿Pueden tratarse térmicamente ambas calidades en el mismo ciclo de horno?
Sí, tienen temperaturas de austenitización similares, pero el control del revenido y del enfriamiento rápido debe ajustarse al grado y al tamaño de sección específicos para alcanzar las propiedades deseadas.
P6: ¿Qué grado es más común en piezas de automoción?
El 4140 se utiliza ampliamente en componentes de automoción como engranajes, ejes y elementos de fijación debido a su buena combinación de propiedades y rentabilidad.
P7: ¿Se utiliza el 4145 en aplicaciones de petróleo y gas?
Sí, el 4145 y sus variantes modificadas se utilizan habitualmente para herramientas de perforación y de fondo de pozo debido a su mayor resistencia y templabilidad; muchos proveedores producen variantes del 4145 certificadas para campos petrolíferos.
P8: ¿Cuáles son los modos de fallo más comunes?
Para las piezas de alta resistencia y dureza: la fractura frágil, la fragilización por revenido, el agrietamiento asistido por hidrógeno en las zonas soldadas y la fatiga superficial o subsuperficial son las principales preocupaciones. Es esencial disponer de pruebas y márgenes de diseño adecuados.
P9: ¿Existen equivalentes normalizados en EN u otros sistemas?
Sí, el 4140 se asemeja mucho a la norma EN 42CrMo4/1.7225. Las equivalencias exactas requieren referencias cruzadas basadas en la composición y las propiedades mecánicas requeridas.
P10: ¿Cómo debo especificar el material en un dibujo?
Especifique el grado exacto (AISI 4140 o AISI 4145), la condición de tratamiento térmico requerida (por ejemplo, QT a 40-45 HRC), los ensayos requeridos (UT, mapeo de dureza, Charpy, tracción) y los requisitos de trazabilidad/certificado del laminador. Si procede, incluya instrucciones de soldadura.
Lista de comprobación de pruebas e inspecciones para órdenes de compra
Al redactar el pliego de condiciones o la especificación técnica, exija:
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Certificado del molino con análisis químico completo y registro del tratamiento térmico.
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Verificación de la dureza en toda la sección (al menos tres puntos para los ejes).
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Ensayos mecánicos especificados (tracción a temperatura ambiente, Charpy V-notch si es servicio dinámico).
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END para grandes piezas forjadas y piezas críticas.
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Trazabilidad hasta el calor y el lote.
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Cualquier certificado específico del sector del petróleo y el gas (si procede).
Casos prácticos
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Eje de transmisión de alta resistencia (grúa industrial): elegir 4145 cuando el diseño requiera un endurecimiento más profundo para resistir el desgaste en los cojinetes y altas tensiones de contacto. Equilibrar el revenido final para conservar suficiente tenacidad.
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Husillo de alta velocidad (máquina herramienta): elija el 4140 cuando sean esenciales una gran tenacidad, estabilidad dimensional tras el tratamiento térmico y resistencia a la fatiga dinámica.
Recomendaciones finales
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Trate la selección como una decisión de sistema: la química del material, el tamaño de la sección, la capacidad de tratamiento térmico y el control de calidad previsto forman una única cadena de decisión.
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Solicite al laminador datos representativos de las propiedades mecánicas para el tratamiento térmico y la sección especificados. No confíe únicamente en los valores nominales publicados.
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En el caso de componentes de misión crítica, exija ensayos mecánicos y END completos y considere el análisis de elementos finitos de las tensiones residuales y la vida útil prevista a la fatiga.
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Si la capacidad de tratamiento térmico es limitada a nivel local, adquiera material ya suministrado en el estado templado y revenido especificado con certificados verificados.
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