Acero Aleado AISI 8740: Propiedades, tratamiento térmico, equivalentes

El AISI 8740 es un acero de baja aleación con contenido medio de carbono, níquel-cromo-molibdeno, que ofrece un excelente equilibrio entre resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y templabilidad; se especifica con frecuencia para componentes aeroespaciales y otros componentes de alta fiabilidad (elementos de fijación, ejes, vástagos de pistón) y suele fabricarse según las calidades aeronáuticas AMS/SAE (por ejemplo, AMS 6322). Para los diseñadores que necesitan una mayor tenacidad de entalla que los grados Cr-Mo estándar, el contenido de níquel del 8740 lo convierte en una opción adecuada, siempre que se apliquen un tratamiento térmico y un control de calidad correctos.

Qué es el acero 8740

El AISI 8740 (UNS G87400) pertenece a la familia de los aceros de baja aleación con contenido medio de carbono, aleados principalmente con níquel (Ni), cromo (Cr) y molibdeno (Mo). En el sistema de designación AISI/SAE, los dígitos iniciales sugieren una serie de alta resistencia con aproximadamente 0,40% de carbono (la familia "40"). En la práctica, el 8740 se suministra tanto recocido (mecanizable) como templado y revenido, y a menudo se fabrica según especificaciones de calidad aeronáutica (variantes AMS) cuando se utiliza para piezas críticas.

¿Por qué níquel? El níquel en pequeñas cantidades (≈0,4-0,7%) mejora la tenacidad al impacto y la ductilidad sin sacrificar la resistencia; ésta es la principal diferencia que distingue al 8740 de algunos aceros Cr-Mo utilizados en la industria general. Las adiciones combinadas de Cr-Mo mejoran la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas.

Composición química (intervalos de especificación e interpretación técnica)

Intervalos de composición típicos (peso %)

Interpretación para ingenieros

• El carbono cercano a 0,40% sitúa al 8740 sólidamente en la clase de carbono medio, permitiendo una buena resistencia después del temple y revenido.

• El cromo y el molibdeno proporcionan una templabilidad eficaz (capacidad de formar martensita a través de la sección transversal) y una mayor resistencia al revenido.

• El níquel es el elemento distintivo frente a muchas calidades Cr-Mo: aumenta la tenacidad y reduce las tendencias frágiles, especialmente en piezas forjadas de mayor tamaño o con variaciones de sección.

Propiedades físicas y mecánicas

Importante: Los valores mecánicos varían en función del tratamiento térmico, el tamaño de la sección y el método de ensayo. Las cifras que figuran a continuación son rangos típicos que los ingenieros pueden encontrar en las hojas de datos de los proveedores y en los manuales técnicos.

Propiedades mecánicas representativas (ejemplos de recocido / templado y revenido)

(Datos consolidados a partir de MatWeb, AZoM y fichas técnicas de proveedores - utilice certificados de materiales para los valores contractuales). AZoM+1

Propiedades elásticas y térmicas típicas (referencias de ingeniería)

• Módulo de elasticidad: ≈ 200-210 GPa.

• Densidad: ≈ 7,85 g/cm³.

• Conductividad y dilatación térmicas similares a las de otros aceros con contenido medio de carbono; consulte los manuales para calcular la tensión térmica.

Prácticas de tratamiento térmico y ventanas de procesamiento

Secuencia común de tratamiento térmico (notas prácticas)

1. Recocido (si se suministra para mecanizado): calentar a 820-860°C (1508-1580°F) seguido de un enfriamiento lento (enfriamiento en horno) para producir perlita esferoidizada/lamelar para una buena maquinabilidad.

2. Austenizar (para endurecer): rango típico de austenitización 810-860°C (1490-1580°F) dependiendo del tamaño de la sección y de la dureza objetivo.

3. Apaga: El enfriamiento en aceite es habitual para el temple pasante; las secciones más grandes pueden necesitar un enfriamiento interrumpido o programas de enfriamiento especiales. El enfriamiento al aire no es suficiente para el endurecimiento completo, salvo en el caso de secciones muy pequeñas.

4. Temperamento: templado entre 400-600°C (752-1112°F) para equilibrar resistencia y tenacidad; se pueden utilizar varios templados para aliviar tensiones.

Dureza típica en función del temple (ejemplo orientativo)

(Se trata de objetivos de ingeniería simplificados; los valores reales dependen de la microestructura inicial y del tamaño de la sección).

Guía de mecanizado y conformado

• 8740 en estado recocido mecaniza con una maquinabilidad razonablemente buena (reportada alrededor de 60-70% en relación con los estándares de mecanizado de baja aleación). El mecanizado de acabado debe realizarse en estado recocido o templado; no se recomienda el conformado pesado en estado totalmente templado.

Alivio del estrés y control de la distorsión

• Dado que el 8740 suele someterse a un tratamiento térmico para obtener una gran resistencia, los márgenes de mecanizado antes y después del tratamiento térmico y las fijaciones de temple controladas son fundamentales para cumplir las tolerancias dimensionales y evitar las grietas. Utilice ciclos de alivio de tensiones subcríticas y revenido para la estabilidad dimensional.

Comparaciones con otros grados

8740 frente a 4140

• Contenido en níquel: El 8740 suele contener níquel (~0,4-0,7%), mientras que el 4140 generalmente no lo contiene. El níquel mejora la tenacidad del 8740 en comparación con el 4140 para niveles similares de carbono y Cr-Mo.

• Endurecimiento y tratamiento térmico: Ambos tienen niveles similares de Cr y Mo, pero el Ni del 8740 puede proporcionar una mayor tenacidad con niveles de resistencia equivalentes. Para muchas aplicaciones, el 8740 y el 4140 son intercambiables tras una cuidadosa selección del tratamiento térmico, pero se prefiere el 8740 cuando se exige tenacidad de entalla o calidad aeroespacial.

8740 vs 4340

• El 4340 es un acero Ni-Cr-Mo de alta resistencia con un mayor contenido de Ni (≈1,65%) y Cr/Mo; el 4340 consigue una mayor tenacidad con niveles de resistencia más elevados y suele utilizarse en las aplicaciones de mayor rendimiento (trenes de aterrizaje, cigüeñales pesados). El 8740 puede considerarse un grado medio de Ni-Cr-Mo cuando no se requiere la resistencia extrema del 4340.

Cuándo elegir el 8740

• Elija 8740 cuando necesite: material de calidad aeronáutica, tenacidad mejorada respecto a las aleaciones Cr-Mo, buena resistencia a la fatiga y templabilidad fiable para secciones transversales de moderadas a grandes. Elija otras calidades (4140, 4340) cuando así lo exija la mecánica o el coste.

Aplicaciones típicas y ejemplos

Usos comunes

• Tornillería aeroespacial y aeronáutica, pernos y componentes de motores (cuando se suministran conforme a las especificaciones AMS/aeronáuticas).

• Árboles, ejes, bielas de pistón, piezas brutas de engranajes y pasadores de alta carga.

• Pernos, espárragos y componentes mecánicos forjados de alta resistencia en los que se exige tenacidad y templabilidad.

Notas de diseño

• Para piezas sensibles a la fatiga (ejes, bielas) especificar controles de acabado superficial, granallado y radios de filete. La buena resistencia a la fatiga del 8740 se aprovecha plenamente cuando se especifican en el pedido los tratamientos superficiales y el tratamiento térmico adecuado.

• El tamaño importa: en secciones transversales grandes, garantizar la especificación de los ensayos de aceptación AMS/SAE (mapas de dureza, comprobaciones de microestructura) porque pueden producirse gradientes de templabilidad. Utilice las directrices ASTM/SAE para las velocidades de enfriamiento y las piezas forjadas.

Ejemplo de caso (especificación típica de un componente)

• Un vástago de pistón puede especificarse como 8740, recocido para el mecanizado, torneado en bruto y, a continuación, templado y revenido a 50-55 HRC con granallado y rectificado final. Para detectar grietas superficiales antes del ensamblaje final se utilizan pruebas no destructivas, como la inspección por partículas magnéticas (MPI) o por líquidos penetrantes.

Adquisiciones, normas y equivalencias

Cuando adquiera 8740 para aplicaciones críticas, indique la especificación exacta para garantizar la calidad y trazabilidad del material.

Normas y denominaciones comunes

• Designación SAE / AISI: 8740 (UNS G87400).

• AMS / Especificaciones aeronáuticas: La norma AMS 6322 (y sus variantes) se utiliza para las barras, forjas y anillos de esta aleación con calidad aeronáutica. Los pedidos que exigen calidad aeroespacial deben hacer referencia a la revisión AMS correspondiente o a la especificación militar equivalente.

• Grados internacionales equivalentes: DIN 1.6546, UNI 40 NiCrMo2, British BS Type 7 suelen aparecer como casi equivalentes (pero compruebe siempre las diferencias de composición/tolerancia).

Qué especificar para obtener resultados previsibles

• Límites químicos exactos y pruebas de aceptación (certificado de análisis espectral, mapas de dureza)

• Estado requerido en la entrega (recocido, normalizado, Q&T)

• Certificado de tratamiento térmico y trazabilidad al número de colada y a los informes de pruebas de laminación (MTR).

• Requisitos de END (MPI, ultrasonidos, ensayos de dureza y microestructura), especialmente para piezas aeroespaciales o críticas para la seguridad.

Controles de calidad, ensayos no destructivos y escollos metalúrgicos

Modos de defectos que hay que vigilar

• Agrietamiento por enfriamiento en piezas mal apoyadas o con programas de enfriamiento demasiado agresivos.

• Segregación y formación de bandas en grandes piezas forjadas: solicite criterios de aceptación de la microestructura del laminador si es crítica.

• Contenido de inclusiones y puntos calientes de azufre que reducen la vida a la fatiga.

Medidas de calidad recomendadas

• Exigir MTR y análisis químicos para cada lote.

• Especifique comprobaciones de dureza y mapas de dureza de sección completa o sección escalonada para piezas críticas.

• Utilizar END (MPI/UT) para los elementos críticos para la seguridad y exigir criterios de aceptación en las especificaciones de adquisición.

• En el caso de las piezas aeroespaciales, insista en las certificaciones AMS y en las aprobaciones de proceso NADCAP o equivalentes del proveedor, si procede.

Tablas de referencia rápida (prácticas hojas de trucos de ingeniería)

Cuadro A - Composición (abreviada)

Tabla B - Mecánicas típicas (recocido vs Q&T)

(Valores agregados a partir de bases de datos de proveedores y materiales; confirmar con certificados para la aceptación del contrato).

Notas prácticas para talleres y metalúrgicos

• Control de precalentamiento e interpaso: al soldar 8740 (normalmente requiere procesos de bajo hidrógeno y precalentamiento), siga las especificaciones del procedimiento de soldadura (WPS) con temperaturas entre pasadas controladas y tratamiento térmico posterior a la soldadura según sea necesario.

• Tratamientos superficiales: para maximizar la vida a fatiga utilizar granallado, nitruración (si es compatible con la dureza del núcleo) o carburizado sólo después de una cuidadosa revisión metalúrgica (el carburizado cambia la química de la caja).

• Corrosión: 8740 no es inoxidable, para la resistencia a la corrosión considere revestimientos protectores o alternativas inoxidables cuando la exposición a la corrosión sea significativa.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cuál es la principal diferencia entre 8740 y 4140?
   El 8740 contiene níquel que mejora la tenacidad; el 4140 es un grado Cr-Mo sin níquel significativo. Para muchas piezas son intercambiables con un tratamiento térmico correcto, pero se prefiere el 8740 cuando se requiere una mayor tenacidad o una certificación de calidad aeronáutica.

2. ¿Qué normas cubren la 8740?
   Suelen utilizarse la designación SAE/AISI 8740 (UNS G87400) y normas aeroespaciales como AMS 6322 (y sus revisiones). Verifique la revisión AMS específica cuando se abastezca para el sector aeroespacial.

3. ¿Puede endurecerse por inducción el 8740?
   Sí, las secciones pequeñas pueden endurecerse superficialmente por inducción, pero los parámetros del proceso deben ajustarse para evitar el agrietamiento superficial; es necesario un revenido posterior para equilibrar la dureza y la tenacidad.

4. ¿Qué dureza puede alcanzarse tras el temple y revenido?
   Las durezas típicas de Q&T oscilan entre HRC ~25 y >55 en función de la temperatura de revenido; los objetivos comunes de ingeniería fuerte se sitúan en la gama HRC 25-35 para lograr un equilibrio entre resistencia y tenacidad.

5. ¿Es el 8740 adecuado para piezas forjadas?
   Sí, el 8740 se suministra habitualmente como barras y anillos forjados para componentes de alta resistencia; las variantes aeroespaciales se fabrican según las normas AMS con controles de forja.

6. ¿Qué tratamiento térmico se recomienda para los ejes críticos?
   Austenitización a 820-860°C, temple en aceite y revenido a 450-550°C en función de la tenacidad requerida; alivio final de tensiones y granallado para mejorar la resistencia a la fatiga.

7. ¿Se puede soldar el 8740?
   La soldadura es posible, pero requiere precalentamiento, el uso de un metal de aportación adecuado con bajo contenido en hidrógeno y, a menudo, PWHT (tratamiento térmico posterior a la soldadura) para evitar el agrietamiento. La soldadura afecta a las propiedades localmente; evite soldar en zonas sometidas a grandes esfuerzos o fatiga si es posible.

8. ¿Qué inspección debo exigir para las piezas aeroespaciales?
   Solicite certificados AMS, análisis químicos completos, mapeo de dureza y END (MPI o UT) según se especifique en el documento de adquisición; se prefieren los procesos aprobados por NADCAP para los proveedores críticos.

9. ¿Es el 8740 resistente a la corrosión?
   No, no es inoxidable. Tiene una resistencia moderada en comparación con el acero al carbono normal debido a su contenido en Cr/Ni, pero requiere revestimientos o protección contra la corrosión en entornos agresivos.

10. ¿Qué industrias utilizan más el 8740?
    Aeroespacial, maquinaria pesada, equipos de petróleo y gas (donde son necesarias una gran tenacidad y resistencia a la fatiga), componentes de alto rendimiento de automoción y ejes y tornillería industriales en general.

Fragmento de pliego de condiciones listo para la contratación

"Material: AISI 8740 (UNS G87400), fabricado según AMS 6322 (o la revisión AMS especificada por el comprador). La composición química debe cumplir los límites de la AMS. Estado a la entrega: Recocido o templado y revenido según plano del comprador. Documentación requerida: Informe de ensayo de laminación (MTR), mapa de dureza, informe MPI (o UT) y certificado de conformidad trazable al número de colada".

Incluir criterios de aceptación explícitos para la dureza, la microestructura y los END basados en la criticidad de la aplicación.

Juicio de ingeniería de cierre

El 8740 es un acero aleado maduro y bien documentado que ocupa un útil punto intermedio entre los aceros Cr-Mo y los aceros NiCrMo de mayor aleación. Su combinación de tenacidad potenciada por el níquel y templabilidad al Cr-Mo lo hace especialmente adecuado para componentes en los que se necesita tanto tenacidad como un endurecimiento pasante fiable y en los que las especificaciones aeronáuticas o de alta fiabilidad son un factor importante. La correcta especificación de las normas AMS/SAE, el tratamiento térmico y la NDE son esenciales para aprovechar las ventajas de la aleación y evitar problemas metalúrgicos.

Referencias autorizadas

• AMS 6322 - Barras, piezas forjadas y anillos de acero (Especificación SAE de materiales aeroespaciales para 8740)
• ASM Alloy Digest - AISI 8740 (resumen técnico de ASM International)
• AZoM - Perfil técnico del acero aleado AISI 8740
• MatWeb / ASM Materials - Propiedades mecánicas y físicas del AISI 8740