Barra 4140 / 42CrMo4 templada y revenida de gran diámetro: por qué el temple, no la química, decide el rendimiento
4140, 42CrMo y 42CrMo4: la misma familia de acero, tres maneras de especificarla
Por Harris, técnico de SHUNFU METAL
Un artículo técnico de Dongbei Special Steel (base Beiman, China) describe la producción de barras de 4140 templadas y revenidas de gran diámetro, de Ø254 mm a Ø310 mm, obtenidas por laminado en lugar de forja. El texto usa la etiqueta estadounidense 4140 porque el material se destinaba a exportación, pero metalúrgicamente pertenece a la familia Cr–Mo que China designa 42CrMo y Europa 42CrMo4 / 1.7225. Antes de entrar en el proceso conviene fijar esa equivalencia, porque la mayoría de los compradores compara fichas químicas de normas distintas sin saber que hablan del mismo acero.
| Designación | Norma | C | Cr | Mo | Mn |
|---|---|---|---|---|---|
| 4140 (EE. UU.) | SAE/ASTM A29 | 0.38–0.43 | 0.80–1.10 | 0.15–0.25 | 0.75–1.00 |
| 42CrMo (China) | GB/T 3077 | 0.38–0.45 | 0.90–1.20 | 0.15–0.25 | 0.50–0.80 |
| 42CrMo4 / 1.7225 (Europa) | EN 10083-3 | 0.38–0.45 | 0.90–1.20 | 0.15–0.30 | 0.60–0.90 |
Las tres composiciones se solapan casi por completo. La diferencia real entre un proveedor y otro no está en la columna de cromo, sino en cómo ejecuta el temple y revenido (en chino, diaozhi). Y ahí es donde este trabajo de Beiman resulta revelador.
La tesis: en gran diámetro manda la severidad de temple, no la ficha química
En barras de Ø254–310 mm, el riesgo dominante no es quedarse corto de resistencia, sino agrietar la pieza durante el enfriamiento. El artículo lo demuestra con sus propios números: en el primer lote de prueba aparecieron 31 % de grietas longitudinales de temple y 37 % de grietas circunferenciales en el extremo. Una química impecable no habría evitado ninguna de las dos. Lo que cambió el resultado fue el control del enfriamiento y de la geometría, no un ajuste de manganeso.
La ruta de producción elegida fue: fusión en horno eléctrico (EBT) → refino en cuchara LF → colada de lingote → carga en caliente → horno de homogeneización → laminación → enfriamiento lento → pelado superficial → temple → revenido → enderezado → inspección. El lingote de 5,8 t se homogeneizó a 1260 °C durante 3 h para garantizar una deformación uniforme, y la barra laminada se enfrió con lentitud durante 60 h antes del tratamiento térmico.
Qué exigía el cliente y qué se controló en fábrica
La tabla siguiente resume la composición requerida por el usuario frente al control interno de la planta. Nótese cómo Beiman estrecha deliberadamente el carbono, el manganeso y el cromo hacia el límite superior del rango de norma: más endurecibilidad para una sección gruesa, pero con un margen calculado para no disparar el riesgo de fisura.
| Elemento (%, masa) | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu | V | Al |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Requerido | 0.40–0.43 | 0.15–0.35 | 0.75–1.00 | ≤0.025 | 0.010–0.025 | 0.80–1.10 | ≤0.25 | 0.15–0.25 | ≤0.35 | ≤0.05 | — |
| Control interno | 0.42–0.43 | 0.22–0.35 | 0.96–1.00 | ≤0.020 | — | 1.06–1.10 | — | 0.22–0.25 | — | — | 0.015–0.035 |
El aluminio y el ferrovanadio se añaden a propósito: los carbonitruros de V y Al finamente dispersos en los bordes de grano frenan el crecimiento austenítico y estabilizan el tamaño de grano en los niveles 7–8. Un grano grueso sería letal en sección gruesa, porque concentra tensiones durante el temple.
Propiedades mecánicas: requisito frente a resultado medido
El requisito se midió en probeta longitudinal tomada a 25,4 mm de la superficie, la zona crítica de una barra gruesa. El resultado real superó con holgura cada umbral:
| Parámetro | Requisito | Medido |
|---|---|---|
| Rp0.2 (MPa) | ≥ 760 | 790–920 |
| Rm (MPa) | ≥ 970 | 980–1060 |
| A (%) | ≥ 14 | 15–19 |
| Z (%) | ≥ 45 | 52–58 |
| Akv (J) | ≥ 30 | 46–48 |
| HBW | 285–341 | 290–336 |
La microestructura confirma por qué se cumplen tenacidad y dureza a la vez: cerca de la superficie la barra está totalmente templada y, tras el revenido, presenta sorbita revenida; en el radio medio (½R) domina la sorbita; y solo el corazón conserva una estructura mixta. Ese gradiente radial es exactamente el que provoca tensiones internas si el enfriamiento se gestiona mal.
Cómo se eliminaron las grietas: el argumento central
El diagnóstico es honesto y merece destacarse. Al templar en agua, la barra se enfría muy rápido en la zona de alta temperatura pero apenas cambia su velocidad por debajo del Ms. Cuando la martensita se forma, la expansión de volumen genera tensiones térmicas y de transformación que, sumadas, agrietan la pieza. A esto se añade que la mayoría de las grietas longitudinales aparecieron después del revenido, al enfriar demasiado rápido: la causa era la tensión de la transformación, no el choque inicial del agua.
Las correcciones fueron de proceso, no de química: calentar a (890 ± 10) °C con carga de horno dosificada en torno a 20 t; agua de temple a 10–40 °C con caudal continuo; traslado del horno al agua en menos de 10 min; izado y re-inmersión cada 2 min; y salida del agua con la superficie aún por debajo de 200 °C. Después, revenido a 580 °C durante 6–8 h. En la prueba corregida se acortó el tiempo de inmersión, se controló la temperatura de salida del agua en torno a 250 °C, se enfrió rápido hasta 450 °C y luego al aire, seguido de un revenido de alivio de tensiones por debajo de 400 °C. Para las grietas circunferenciales del extremo, la solución fue puramente geométrica: chaflanado uniforme a 45° para eliminar la concentración de tensiones, lo que redujo ese defecto por debajo del 3 %.
Qué debería concluir un comprador
Entre 2008 y 2009 la planta entregó más de 300 t de barra 4140 laminada y templada, con una conformidad global estable por encima del 97 %. Mi lectura de técnico es directa: cuando alguien especifica 4140, 42CrMo o 42CrMo4 en sección gruesa, la ficha de composición es solo el punto de partida. Lo que separa una barra utilizable de una pieza agrietada es la severidad de temple, la gestión del gradiente radial, el tamaño de grano y hasta el chaflán del extremo. Pedir “igual que la norma” no basta; conviene preguntar cómo se templa, a qué temperatura sale del agua y cómo se revenía. En gran diámetro, el proceso es el producto.
