Normalizado + Revenido vs. Temple + Revenido en Chapa SAE 4140 / 42CrMo4: Propiedades Equivalentes sin Riesgo de Grietas
Normalizado + Revenido vs. Temple + Revenido en Chapa SAE 4140 / 42CrMo4: Mismas Propiedades, Sin Riesgo de Grietas
Por Harris, Equipo Técnico — SHUNFU METAL
Equivalencias de norma: SAE 4140 · EN 42CrMo4 · GB 42CrMo · JIS SCM440
El acero analizado en este estudio se designa como SAE 4140 según la norma ASTM/SAE (EE. UU., UNS G41400),
equivalente al grado 42CrMo4 (1.7225) del sistema europeo,
al 42CrMo de GB/T 3077 en China
y al SCM440 de JIS G4105 en Japón.
Todos comparten la misma composición base (~0.40 % C, ~1.0 % Cr, ~0.20 % Mo) y responden de manera similar a los ciclos térmicos discutidos aquí.
En estado Q+T, la norma EN 10083-3 especifica dureza típica de 270–320 HBW para secciones de ≤ 65 mm;
el estudio analiza el rango de entrega 269–321 HBW para chapa de 13 mm como referencia de trabajo.
El problema de origen: las chapas finas se agrietan durante el temple
El SAE 4140 / 42CrMo4 es un acero de construcción de referencia en moldes, matrices, vehículos industriales y maquinaria pesada.
Su alta templabilidad —facilitada por el Cr y el Mo— es precisamente una de sus ventajas principales.
Pero esa misma templabilidad se convierte en problema cuando el producto es una chapa de espesor reducido (≤ 15 mm): durante el enfriamiento en agua desde la temperatura de austenización, los gradientes térmicos entre superficie y núcleo generan tensiones internas que pueden causar pandeo o grietas longitudinales en los bordes de la chapa.
El fabricante que describe este estudio —Jiangyin Xingcheng Special Steel Works— documentó grietas longitudinales en bordes de chapa de 13 mm después del temple convencional.
La pregunta que guía la investigación es concreta:
¿puede el ciclo de
normalizado + revenido (N+T)
sustituir al temple + revenido (Q+T)
sin sacrificar las propiedades mecánicas finales?
La respuesta que entregan los datos experimentales es afirmativa, con una condición de proceso específica que vale la pena entender en detalle.
Material y diseño experimental
La chapa de 13 mm se laminó a partir de planchón continuo de 150 mm, desbastado con alta presión hidráulica y laminado en tandem.
La composición química del acero ensayado se muestra en la Tabla 1:
| C | Si | Mn | Cr | Mo | P ≤ | S ≤ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.38–0.44 | 0.15–0.30 | 0.75–1.00 | 0.90–1.10 | 0.15–0.25 | 0.025 | 0.040 |
El programa de ensayos comprendió cinco condiciones de tratamiento térmico, todas con austenización idéntica a 850 °C / 30 min:
| Muestra | Proceso | Revenido |
|---|---|---|
| 1# | N+T — Normalizado 850 °C / 30 min, enfriamiento en aire | 500 °C / 90 min |
| 2# | N+T — Normalizado 850 °C / 30 min, enfriamiento en aire | 520 °C / 90 min |
| 3# | N+T — Normalizado 850 °C / 30 min, enfriamiento en aire | 540 °C / 90 min |
| 4# | N+T — Normalizado 850 °C / 30 min, enfriamiento en aire | 560 °C / 90 min |
| 5# (ref.) | Q+T — Temple 850 °C / 30 min, enfriamiento en agua | 600 °C / 90 min |
Microestructura antes del revenido: bainita vs. martensita
El primer resultado relevante surge antes incluso de revenar.
El normalizado a 850 °C con enfriamiento en aire produce una microestructura predominantemente bainítica con algo de martensita local, sin bandas apreciables.
La dureza promedio en estado normalizado es 355 HBW.
El temple en agua desde 850 °C produce martensita laminar casi pura.
La dureza promedio en estado templado es 518 HBW —163 HBW más alta que la condición normalizada.
Esa diferencia de 163 HBW es la raíz del problema: mayor dureza significa mayor tensión interna, mayor gradiente durante el enfriamiento y mayor propensión a la fisuración en chapas finas.
La menor dureza del normalizado no es en sí misma un defecto; es una ventaja cuando el objetivo es llegar a una dureza de entrega de 269–321 HBW mediante revenido posterior.
Con 355 HBW de partida, hay margen suficiente para ajustar la temperatura de revenido.
Con 518 HBW de partida, el margen es mayor pero el riesgo previo al revenido ya ha materializado.
Propiedades mecánicas tras el revenido: los datos completos
La Tabla 3 recoge los resultados de tracción y dureza de las cinco condiciones ensayadas.
Todos los valores superan el umbral mínimo exigido (Rₑₗ ≥ 750 MPa):
| Muestra | Proceso | Rₑₗ (MPa) | Rm (MPa) | A (%) | Dureza (HBW) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1# | N+T 500 °C | 907 | 1 012 | 12.5 | ~318 |
| 2# | N+T 520 °C | 892 | 980 | 13.0 | ~305 |
| 3# | N+T 540 °C | 865 | 969 | 14.0 | ~295 |
| 4# | N+T 560 °C | 836 | 956 | 14.0 | ~285 |
| 5# (ref.) | Q+T 600 °C | 898 | 984 | 14.0 | ~295 |
Lectura de los datos: dónde está la ventana óptima
La comparación clave es entre las muestras 3# y 4# (N+T a 540 y 560 °C) y la referencia 5# (Q+T a 600 °C).
La muestra 3# (N+T 540 °C) entrega Rₑₗ = 865 MPa, Rm = 969 MPa, A = 14 % y dureza de ~295 HBW.
La muestra 5# (Q+T 600 °C) entrega Rₑₗ = 898 MPa, Rm = 984 MPa, A = 14 % y dureza de ~295 HBW.
La diferencia de resistencia entre ambas es de apenas 15–33 MPa —dentro del margen de variabilidad habitual de ensayo— y la ductilidad y dureza son prácticamente idénticas.
La muestra 4# (N+T 560 °C) muestra Rₑₗ = 836 MPa, ligeramente inferior a la referencia Q+T, pero con la misma elongación y dureza aceptable.
En conjunto, el intervalo 540–560 °C de revenido sobre base normalizada cubre el mismo espacio de propiedades que el Q+T convencional, con un margen de proceso (20 °C de ventana) suficientemente amplio para producción industrial.
Las muestras 1# y 2# (N+T a 500 y 520 °C) tienen mayor resistencia (Rm hasta 1 012 MPa) pero menor elongación (12.5–13 %) y dureza en el límite superior del rango exigido.
Son válidas para requisitos de alta resistencia, pero la elongación reducida puede limitar la aplicación en piezas con geometría compleja.
El comportamiento de la dureza refuerza la misma conclusión: en el intervalo 540–560 °C la curva de dureza N+T se aplana, lo que significa que pequeñas variaciones de temperatura de horno no afectan significativamente el resultado final.
Ese comportamiento estable es esencial para la consistencia lote a lote.
Por qué la microestructura bainítica es suficiente como base
La clave de que el N+T funcione en 4140 de chapa fina reside en la naturaleza de la
sorbita de revenido que se forma independientemente del estado inicial —martensítico o bainítico.
Ambos estados, al ser revenidos por encima de 500 °C, convergen en una microestructura de ferrita con carburos esféricos finamente dispersos.
Las diferencias morfológicas entre la sorbita procedente de martensita y la procedente de bainita existen a escala nanométrica, pero a escala de propiedades mecánicas —especialmente en chapa delgada donde el gradiente de sección es limitado— resultan equivalentes dentro de los márgenes de especificación.
La diferencia observable en el microscopio óptico es que las muestras N+T a 500 °C todavía presentan ligera banding (segregación en bandas) heredada de la laminación.
A medida que sube la temperatura de revenido (520, 540, 560 °C), las bandas se difuminan progresivamente y la distribución de carburos se homogeneiza.
A 600 °C (muestra Q+T) las bandas de martensita han desaparecido completamente y los carburos son más gruesos pero más uniformes.
El resultado práctico es el mismo: sorbita de revenido con carburos globulares.
La razón por la que la muestra Q+T necesita una temperatura de revenido mayor (600 vs. 540–560 °C) es la mayor tensión interna acumulada durante el enfriamiento brusco en agua:
se necesita más energía térmica para relajar la red martensítica y aliviar tensiones.
El normalizado, al producir una transformación más lenta y uniforme, genera menos tensiones internas y permite un revenido efectivo a temperatura más baja.
Relevancia industrial: lo que significa para el comprador de chapa 42CrMo4
Este estudio tiene implicaciones directas para cualquier comprador de chapa SAE 4140 / 42CrMo4 / GB 42CrMo de espesor ≤ 15 mm que actualmente recibe material en estado Q+T:
- El Q+T no es la única ruta hacia las propiedades mecánicas requeridas.
Para chapas delgadas, el N+T con revenido en la ventana 540–560 °C entrega propiedades equivalentes y elimina el riesgo de distorsión y fisuración durante el temple. - La ventana N+T es robusta.
Un intervalo de 20 °C (540–560 °C) donde las propiedades son estables es suficiente para hornos industriales continuos.
El fabricante que describe este estudio produjo más de 100 lotes con tasa de aceptación del 100 % y cero incidencias de fisuración. - El coste de proceso se reduce.
El normalizado con enfriamiento en aire elimina el circuito de enfriamiento en agua, reduce el consumo energético del sistema de quench y minimiza el rechazo por piezas fisuradas o deformadas tras el temple.
En el contexto europeo, la norma EN 10083-3 admite el estado de entrega +N (normalizado) y +NT (normalizado y revenido) además del clásico +QT para 42CrMo4.
El estudio confirma que, para espesores reducidos, +NT no es un estado de entrega inferior: es una alternativa técnicamente equivalente y operativamente más segura.
La consideración que sí aplica es la dependencia de sección.
A medida que el espesor crece más allá de 15–20 mm, la velocidad de enfriamiento en el núcleo durante el normalizado desciende y la transformación puede producir proporciones crecientes de perlita gruesa en lugar de bainita, lo que reduciría la dureza base y haría necesario ajustar el ciclo de revenido.
Para secciones grandes, el Q+T sigue siendo la ruta más segura para garantizar homogeneidad de propiedades en todo el espesor.
El mensaje para el diseñador y el comprador es claro: antes de especificar Q+T para chapa de 4140 / 42CrMo4, vale la pena preguntar al proveedor si el espesor de la pieza permite un N+T equivalente.
La respuesta correcta requiere conocer la curva CCT del acero específico y las capacidades del equipo de tratamiento térmico — exactamente el tipo de análisis que debería estar en cualquier revisión de proceso de fabricación.
