Acero S7 vs 4140: Usos, tratamiento térmico y criterios de selección

Para herramientas o piezas que deben resistir choques bruscos, impactos repetidos y requieren una tenacidad muy elevada, Acero para herramientas S7 suele ser la mejor opción por su composición química de endurecimiento al aire y su mayor resistencia al impacto. Para ejes, pasadores, engranajes y componentes estructurales de uso general que requieren fuertes propiedades de tracción, buena resistencia a la fatiga y un tratamiento térmico más sencillo y económico, Acero aleado 4140 (Cr-Mo) es normalmente la opción preferida. Esta recomendación depende de la dureza final requerida, la tolerancia dimensional tras el tratamiento térmico, los requisitos de fatiga y las limitaciones de costes.

Comparación rápida en paralelo (cuadro recapitulativo)

Composición química y papel metalúrgico de los elementos de aleación

Comprender la composición aclara por qué cada acero se comporta de forma diferente en servicio.

Composición típica (gamas representativas)

Por qué importa la química

• Más cromo y molibdeno en S7 aumentan la templabilidad y la resistencia al revenido y proporcionan una fuerte formación de carburo que ayuda a mantener la dureza bajo temperaturas de funcionamiento elevadas e impactos repetidos.

• Carbono moderado en S7 admite una mayor templabilidad con tenacidad retenida; S7 está formulado para proporcionar una alta energía de impacto en lugar de maximizar la resistencia al desgaste.

• El Cr y el Mo más bajos del 4140 equilibrar la tenacidad, la ductilidad y la resistencia manteniendo un coste y una soldabilidad razonables. La composición química del 4140 le confiere una elevada resistencia a la tracción y una buena resistencia a la fatiga tras el temple y revenido.

Propiedades mecánicas: dureza, resistencia, tenacidad, impacto

El rendimiento mecánico depende en gran medida del estado del tratamiento térmico. Las tablas siguientes presentan rangos típicos de las hojas de datos de los proveedores y las bases de datos de materiales.

Propiedades mecánicas típicas (recocido / templado y revenido)

Notas: Los rangos numéricos dependen de la temperatura de revenido y del medio de enfriamiento; S7 normalmente sacrifica algo de resistencia al desgaste para mantener una elevada energía de impacto. Para conocer los intervalos típicos de temple y revenido, consulte las tablas de tratamiento térmico del proveedor.

Comportamiento del tratamiento térmico y ventanas de procesamiento

Lo más destacado del tratamiento térmico S7

• Naturaleza: El S7 suele ser un acero para herramientas endurecido al aire y resistente a los golpes; puede templarse al aceite en algunas formas, pero a menudo se trata para minimizar la distorsión.

• Temperaturas típicas de endurecimiento: Solución/ austenitización ~1000-1025°C (1830-1875°F) (la orientación del proveedor varía). Los programas de precalentamiento y remojo son importantes para evitar el agrietamiento. El revenido se realiza a temperaturas seleccionadas para alcanzar la dureza deseada manteniendo la resistencia al impacto. El S7 se valora porque puede templarse con menor distorsión que muchos aceros al carbono templados en agua.

Lo más destacado del tratamiento térmico de la 4140

• Naturaleza: La 4140 es una aleación de Cr-Mo de endurecimiento total; la templabilidad admite el temple en aceite para muchas secciones; normalizada antes del endurecimiento en muchos procedimientos.

• Austenitización típica: ~845-870°C (1550-1600°F); es habitual el temple en aceite. Las temperaturas de revenido varían entre ~200-650°C en función de la dureza y tenacidad finales deseadas. El 4140 es tolerante y se utiliza ampliamente porque el tratamiento térmico está bien documentado y es reproducible a escala.

Comparación práctica: distorsión y control dimensional

• S7 tiende a endurecerse con menor distorsión (grados de endurecimiento al aire diseñados para la estabilidad dimensional), lo que beneficia a los fabricantes de matrices y herramientas que necesitan tolerancias estrechas después del tratamiento térmico.

• 4140 puede requerir un mayor alivio de tensiones, enderezamiento o margen de mecanizado cuando se templa a mayores espesores de sección; sin embargo, la familiaridad industrial y la tenacidad predecible facilitan a muchos talleres su procesamiento económico.

Microestructura, comportamiento de desgaste y modos de fractura

Microestructura después del tratamiento

• S7: Matriz típicamente martensítica con carburos de aleación (ricos en Cr/Mo) y finas dispersiones de carburos secundarios; diseñada para la absorción de energía y la resistencia a la rotura controlada.

• 4140: matriz martensítica cuando se templa, martensita revenida con menor fracción volumétrica de carburos de aleación; diseñado para proporcionar resistencia a la tracción y vida a fatiga.

Desgaste y abrasión

• S7 ofrece una resistencia moderada al desgaste abrasivo, pero no es un acero de alto contenido en cromo y carburo (esta función corresponde a los aceros para herramientas de alto Cr, como el D2). Su principal virtud es sobrevivir a la carga de impacto sin sufrir fallos por fragilidad.

• 4140 ofrece una resistencia al desgaste respetable cuando se templa, pero el menor contenido de carburo en comparación con los aceros para herramientas limita el rendimiento frente al desgaste abrasivo.

Fractura y modos de fallo

• S7 Los fallos suelen mostrar grandes zonas plásticas y hoyuelos dúctiles o labios de cizallamiento antes de la fractura final debido a su alta tenacidad. Bajo impactos repetidos, el S7 resiste la fractura frágil catastrófica.

• 4140 en condiciones de alta tensión, mal templado o sobreendurecido puede presentar grietas por fatiga y escisión frágil; es esencial un templado adecuado y el control de la tensión residual.

Notas sobre maquinabilidad, soldadura y fabricación

Maquinabilidad

• S7 (recocido): mecanizable en estado recocido, pero en condiciones más duras es duro y puede suponer un reto. Los elementos formadores de carburo y los niveles de aleación más elevados reducen la vida útil de la herramienta con durezas elevadas. Se suele recurrir al mecanizado por preendurecimiento.

• 4140: Buena maquinabilidad en estado normalizado o recocido. Se utiliza comúnmente en ejes y barras torneados/fresados; las herramientas y los avances están bien establecidos.

Soldadura

• S7: La soldadura de aceros para herramientas exige un precalentamiento estricto, un control de la temperatura entre pasadas y un tratamiento térmico posterior a la soldadura para evitar el agrietamiento y la pérdida de tenacidad. La soldadura es posible, pero requiere procedimientos de soldadura experimentados.

• 4140: Soldable con un precalentamiento adecuado (para evitar el agrietamiento en frío) y un revenido posterior a la soldadura; muchos talleres sueldan 4140 de forma rutinaria cuando se sigue el procedimiento adecuado.

Tratamientos superficiales y acabados

• Ambos aceros aceptan procesos superficiales comunes: nitruración (requiere un control cuidadoso), endurecimiento por inducción (adecuado para 4140), chapado y revestimientos. La elección depende de la aplicación final (desgaste, corrosión o fatiga).

Aplicaciones típicas y casos comparativos

Donde destaca el S7

• Herramientas expuestas a cargas repentinas e impactos repetidos: por ejemplo, punzones, cinceles, cuchillas de cizalla, matrices de cabezal, piezas de martillo, herramientas de conformado en frío, matrices de agarre, núcleos de moldes de inyección de alta resistencia en determinadas situaciones. S7 suele ser la solución cuando el fallo de la herramienta por impacto sería catastrófico.

Donde destaca el 4140

• Componentes rotativos, piezas estructurales y elementos comunes de máquinas: cigüeñales, ejes, pasadores, bridas, engranajes (pequeños a medianos), elementos de fijación, componentes hidráulicos en los que se necesita un equilibrio entre resistencia a la fatiga y tenacidad y en los que el coste / suministro son importantes.

Caso práctico (escenario realista)

• Si una matriz experimenta astillamiento de los bordes por impactos repetitivos, el cambio de una variante 4140 endurecida a S7 (debidamente tratada térmicamente) puede prolongar la vida útil a pesar del mayor coste en bruto, porque S7 tolera los impactos sin astillamiento frágil. A la inversa, un eje de transmisión que exija una vida útil a la fatiga torsional con una dureza moderada casi siempre es mejor en 4140, debido a su probado comportamiento a la fatiga y a su menor precio.

Criterios de selección, orientación para la sustitución y consideraciones de coste

Lista de control para la elección

1. Tipo de carga primaria: choques de impacto → inclinación hacia S7; cargas estacionarias/de torsión → 4140.

2. Dureza deseada frente a tenacidad: si necesita una dureza extrema (>56 HRC) y resistencia al impacto, consulte los grados S7 y los protocolos de temple. Si le basta una dureza moderada y una elevada resistencia a la fatiga, utilice 4140.

3. Tolerancia dimensional tras el tratamiento térmico: las necesidades de baja distorsión empujan hacia S7 o variantes premium refundidas de S7.

4. Soldabilidad y facilidad de fabricación: El 4140 tiene ventaja; el S7 requiere controles de soldadura especializados.

5. Presupuesto y cadena de suministro: El 4140 está muy extendido; el S7 es especial y cuesta más por kg y por fase de procesamiento.

6. Compatibilidad con tratamientos superficiales: evaluar el endurecimiento por inducción, la nitruración, los revestimientos - El 4140 se endurece comúnmente por inducción para superficies de desgaste local.

7. Reglamentación / trazabilidad: Compruebe las especificaciones del proyecto: las piezas aeroespaciales o críticas para la seguridad pueden requerir una certificación específica del acero para herramientas (trazabilidad del calor de laminación, producto refundido, etc.).

Notas de sustitución

• Sustituyendo S7 por 4140 es aceptable cuando las cargas de impacto son modestas y el coste es un factor determinante, pero cabe esperar una menor resistencia a los golpes y posiblemente una vida útil más corta en caso de impacto repetido.

• Sustituyendo 4140 por S7 es aceptable para servicio de alto impacto, pero cuidado con el exceso de ingeniería: El S7 puede resultar innecesario y caro para muchas piezas giratorias en las que basta con el 4140.

Normas, especificaciones y referencias autorizadas

Designaciones y normas clave que deben comprobarse al especificar el material:

• S7: AISI S7 / UNS T41907; cubierto por normas de acero para herramientas como ASTM A681 y las especificaciones del acero para herramientas y las fichas técnicas de los proveedores. El S7 se suministra a menudo en variantes refundidas o premium para trabajos de utillaje críticos.

• 4140: SAE/AISI 4140 / UNS G41400 - ampliamente documentado con muchas hojas de datos de proveedores y referencias industriales.

Lista práctica de selección para ingenieros y compras

1. Definir el régimen de carga de servicio: impacto vs cíclico vs estático.

2. Elija la dureza objetivo y la energía de impacto mínima aceptable.

3. Comprobar la tolerancia dimensional después del tratamiento térmico; solicitar cifras de distorsión típicas al laminador si son ajustadas.

4. Especifique acero refundido / tratado al vacío si la limpieza es importante (por ejemplo, núcleos de moldes de inyección).

5. Especificar el procedimiento de tratamiento térmico en la orden de compra (temperatura de austenitización, medio de temple, temperatura de revenido, aceptación de la dureza).

6. Solicite un informe de pruebas de laminación (MTR) y un certificado de pruebas de dureza e impacto si la pieza es crítica para la seguridad.

7. Si es necesario soldar, incluya la especificación del procedimiento de soldadura (EPS) y los pasos previos y posteriores al tratamiento térmico.

Tablas: datos prácticos que suelen solicitar los ingenieros

Tabla A - Composición representativa (gamas típicas de hojas de proveedor)

Tabla B - Ventana típica de tratamiento térmico (punto de partida de ingeniería)

Tabla C - Usos típicos y selección de grado recomendada

Preguntas frecuentes

1. P: ¿Puede el 4140 sustituir al S7 en una herramienta de impacto?
   R: Normalmente no si la carga de impacto es alta. El 4140 sobrevivirá a muchas cargas, pero no iguala la resistencia a impactos diseñada para el S7.

2. P: ¿Qué calidad se deforma menos durante el endurecimiento?
   R: Los aceros S7 (endurecidos al aire) suelen presentar menos distorsión que los aceros de aleación media templados al aceite en muchos tamaños de sección.

3. P: ¿Alguno de estos aceros es inoxidable?
   R: No. Ambos son aceros al carbono / de baja aleación; se requiere protección contra la corrosión (recubrimientos, chapado) para entornos corrosivos.

4. P: ¿Cuál es más fácil de soldar?
   R: El 4140 es más fácil de soldar con procedimientos estándar; el S7 requiere un precalentamiento y un PWHT cuidadosos para evitar el agrietamiento.

5. P: ¿El S7 puede nitrurarse o endurecerse por inducción?
   R: El tratamiento de la superficie es posible, pero consulte al proveedor: el nitruro puede mejorar el desgaste de la superficie; el endurecimiento por inducción se aplica más comúnmente al 4140. Validar en prototipos.

6. P: ¿Qué temperaturas de revenido proporcionan la mejor resistencia al impacto?
   R: Las temperaturas de revenido más bajas aumentan la dureza pero reducen la tenacidad; las temperaturas de revenido objetivo se eligen equilibrando el HRC frente a la energía Charpy, siguiendo las tablas de tratamiento térmico del proveedor.

7. P: ¿Qué grado es más barato y está más disponible en todo el mundo?
   R: El 4140 está ampliamente disponible y tiene un precio básico; el S7 es una especialidad y suele costar más.

8. P: ¿Suministran las fábricas S7 refundido para utillaje crítico?
   R: Sí, existen calidades refundidas (al vacío o ESR) para utillajes críticos en los que la limpieza y la resistencia a la fractura son esenciales. Solicite un certificado de refundición si es necesario.

9. P: ¿Existen alternativas al S7?
   R: Algunos aceros para herramientas templados al aire de alta tenacidad o variantes de A2 / L6 pueden sustituirlo en función de la aplicación; no obstante, valide la tenacidad y la dureza con ensayos antes de sustituir el S7.

10. P: ¿Qué certificaciones debo solicitar a los proveedores?
    R: Informe del ensayo de molienda (MTR), tabla de tratamiento térmico con verificación de la dureza, ensayo de impacto (si es crítico) y trazabilidad según la especificación (ASTM / AISI) para piezas críticas para la seguridad.

Notas finales de ingeniería

• Prototipos y pruebas: Al cambiar los grados de acero, valídelos mediante pruebas de fatiga e impacto a nivel de pieza; los datos de laboratorio por sí solos rara vez captan el comportamiento completo del sistema.

• Trabaje con su tratador térmico: Proporcionar especificaciones completas del proceso (austenitización, medio de temple, temperatura de revenido, distorsión aceptable). Los tratadores térmicos experimentados pueden ajustar los ciclos para una distorsión mínima.

• Utilice S7 refundido para herramientas críticas para la seguridadS7 refundido / procesado al vacío ofrece un contenido reducido de inclusiones y una mayor tenacidad para matrices caras.

Referencias autorizadas

• Carpenter Technology - Acero para herramientas S7 (ficha técnica / MSDS)
• AZoM - Acero al cromo-molibdeno AISI 4140 (ficha técnica y propiedades)

Resumen final

S7 y 4140 ocupan nichos adyacentes pero distintos. Utilice S7 cuando su pieza debe resistir impactos repetidos con un riesgo mínimo de fallo y cuando la estabilidad dimensional tras el endurecimiento es crítica. Utilice 4140 cuando necesite una aleación rentable y ampliamente disponible con un buen comportamiento a la tracción y a la fatiga que pueda someterse a un tratamiento térmico constante en talleres industriales. Seleccione con una mentalidad basada en pruebas y especifique los requisitos exactos de tratamiento térmico y certificación en las órdenes de compra para evitar sorpresas.