Aluminio 4140: Composición, Propiedades, Guía de temple y Aplicaciones

Resumen Completo

La designación "4140" es ampliamente reconocida en la nomenclatura del acero como una aleación de cromo-molibdeno; no existe una aleación de aluminio universalmente aceptada listada en normas principales como "AA 4140". Para mayor claridad y utilidad en ingeniería, este artículo trata a "Aluminio 4140" como un representante genérico de la familia Al-Si 4xxx — una clase de aleaciones trabajadas ricas en silicio comúnmente usadas para metales de aporte, brasaje, soldadura blanda y algunas extrusiones estructurales.

Las aleaciones de aluminio tipo 4xxx están principalmente aleadas con silicio (Si) y se clasifican en la serie 4xxx de la Aluminum Association. El principal mecanismo de fortalecimiento en esta familia es el endurecimiento por solución sólida debido al silicio y al trabajo en frío; estas aleaciones no responden al endurecimiento por precipitación clásico y por lo tanto no son tratables térmicamente en el sentido usado para las aleaciones 2xxx/6xxx/7xxx.

Las propiedades clave de las aleaciones Al-Si incluyen excelente fluidez y humectación en estado líquido (lo que las hace preferidas como metales de aporte para soldadura/brajeo), resistencia estática moderada en comparación con el aluminio puro, buena resistencia a la corrosión en muchas atmósferas y excelente soldabilidad. La conformabilidad suele ser buena en condición recocida pero disminuye con el endurecimiento por deformación; la maquinabilidad es típicamente favorable porque el silicio promueve la formación de virutas cortas y estabilidad dimensional.

Las industrias que utilizan aleaciones Al-Si (4xxx) incluyen la automotriz (metal de aporte para soldadura y brasaje de intercambiadores de calor), HVAC (radiadores y condensadores), electrodomésticos, conductores eléctricos donde se requiere comportamiento como metal de aporte, y algunas estructuras y accesorios aeroespaciales no primarios. Los ingenieros a menudo eligen una aleación 4xxx para unir aleaciones de aluminio disímiles o cuando se requiere superior fluidez/humectación en estado líquido; su selección implica intercambiar resistencia mecánica máxima por rendimiento en unión y manufacturabilidad económica.

Variantes de Temple

Temple	Nivel de Resistencia	Elongación	Conformabilidad	Soldabilidad	Notas
O	Bajo	Alto	Excelente	Excelente	Totalmente recocido; mejor para conformado y brasaje
H12 / H14	Medio	Medio	Bueno	Excelente	Trabajo en frío ligero; balance entre resistencia y conformabilidad
H18 / H24	Medio-Alto	Bajo-Medio	Regular	Excelente	Endurecido por deformación o parcialmente recocido para mayor resistencia
H32	Medio	Medio	Bueno	Excelente	Estabilizado tras trabajo en frío; usado donde se requiere estabilidad dimensional
T4 (donde se usa)	Bajo	Alto	Excelente	Excelente	Algunas variantes 4xxx pueden ser alivianadas con tratamientos de baja temperatura

Los tempers recocidos (O) ofrecen la mayor ductilidad y mejor conformabilidad, siendo típicamente elegidos para embutición profunda y operaciones extensas de conformado en frío. Los tempers endurecidos por deformación (H1x/H2x) aumentan el límite elástico y la resistencia a la tracción mediante aumento de la densidad de dislocaciones, pero reducen la elongación y aumentan el rebote elástico; la soldabilidad permanece excelente en los distintos tempers porque el silicio reduce la susceptibilidad a la fisuración por solidificación.

Composición Química

Elemento	Rango %	Notas
Si	4.5–12.0	Elemento principal de aleación; controla el rango de fusión, fluidez y endurecimiento por solución sólida
Fe	0.4–1.5	Impureza común; forma intermetálicos que pueden reducir la ductilidad y afectar el acabado superficial
Mn	0.05–0.6	Modificador de estructura de grano; mejora la resistencia modestamente y reduce la fragilidad en caliente
Mg	0.0–0.5	Pequeñas cantidades pueden estar presentes; promueve cierta precipitación cuando se combina con Si en composiciones específicas
Cu	0.0–0.5	Generalmente mantenido bajo; aumenta la resistencia pero puede reducir la resistencia a la corrosión
Zn	0.0–0.5	Típicamente bajo; puede afectar el comportamiento galvánico en ensamblajes
Cr	0.0–0.25	Cantidades traza para controlar el crecimiento de grano y la recristalización en algunas variantes
Ti	0.0–0.2	Refiner de grano cuando se añade intencionalmente en pequeñas cantidades
Otros	Balance (Al)	Elementos traza menores (p. ej., B, Sr) pueden añadirse para modificar la morfología del Si

El silicio es el elemento definitorio: un Si más alto incrementa la fluidez y reduce la temperatura de fusión (beneficioso para brasaje y metales de aporte), pero el exceso de Si favorece la formación de intermetálicos ricos en Si, duros y frágiles, que pueden reducir la ductilidad. El hierro forma intermetálicos en forma de placas o agujas que disminuyen la conformabilidad y la calidad superficial, por lo que se controla en composición. Pequeñas adiciones de Mn, Ti o Cr se utilizan para refinar microestructuras en estado fundido o extruido y mejorar la estabilidad mecánica durante ciclos térmicos.

Propiedades Mecánicas

El comportamiento a tracción de las aleaciones de aluminio tipo 4xxx se caracteriza por resistencias a la tracción moderadas y un límite elástico relativamente bajo en estado recocido; el trabajo en frío incrementa notablemente el límite elástico mientras reduce la ductilidad. La elongación en estado recocido es típicamente alta (buena para conformado) y los modos de fractura son generalmente dúctiles con alguna participación de intermetálicos frágiles si los niveles de Si o Fe son altos.

La dureza se correlaciona con el temple y el contenido de Si: las aleaciones 4xxx recocidas son blandas en comparación con aleaciones de Al tratables térmicamente, mientras que los tempers endurecidos por deformación pueden alcanzar durezas útiles para aplicaciones estructurales. El comportamiento a fatiga es generalmente inferior al potencial máximo de las aleaciones 6xxx o 7xxx; la vida útil a fatiga es sensible al acabado superficial, zonas afectadas por el calor (HAZ) de soldadura y tamaño y distribución de partículas intermetálicas.

El espesor tiene un efecto importante: las chapas delgadas responden bien a embutición profunda y brasaje, mientras que las placas/extrusiones más gruesas mantienen mayor rigidez en estado fabricado pero pueden mostrar microestructura más gruesa y menor tenacidad; el ablandamiento en la HAZ durante soldadura normalmente no es problema crítico porque estas aleaciones no se endurecen por precipitación.

Propiedad	O/Recocido	Temple Clave (H14/H24)	Notas
Resistencia a la Tracción	80–150 MPa	150–260 MPa	Amplios rangos reflejan contenido de Si y trabajo en frío; los tempers H aumentan la resistencia última
Límite Elástico	30–90 MPa	110–200 MPa	El límite elástico aumenta significativamente con el endurecimiento por deformación
Elongación	20–35%	6–18%	La condición recocida proporciona la mayor elongación para conformado
Dureza (HB)	25–60 HB	60–100 HB	La dureza aumenta con el contenido de Si y el trabajo en frío

Propiedades Físicas

Propiedad	Valor	Notas
Densidad	2.68 g/cm³	Típico para aleaciones trabajadas Al-Si; ligeramente más liviano que el acero
Rango de Fusión	577–660 °C	El eutéctico Al-Si reduce el líquido con mayores contenidos de Si; el líquido varía según %Si
Conductividad Térmica	110–150 W/m·K	Menor que el Al puro pero todavía buena para aplicaciones de transferencia de calor
Conductividad Eléctrica	30–45 % IACS	Reducida respecto a grados más puros de Al por Si y otros solutos
Calor Específico	≈0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Típico para aleaciones de aluminio a temperatura ambiente
Expansión Térmica	23–25 µm/m·K	Comparable con otras aleaciones de Al; importante para ensamblajes unidos

La conductividad térmica relativamente alta y la densidad moderada hacen que las aleaciones Al-Si sean beneficiosas donde la transferencia de calor y el peso son consideraciones, como en intercambiadores de calor y radiadores automotrices. La conductividad eléctrica reducida respecto a grados más puros limita su uso como conductores eléctricos primarios, pero permanecen aceptables para muchas aplicaciones estructurales y de unión donde el desempeño eléctrico es secundario.

Formas del Producto

Forma	Espesor/Tamaño Típico	Comportamiento de Resistencia	Temple Comunes	Notas
Chapa	0.3–6.0 mm	Buen comportamiento en O; puede endurecerse por deformación	O, H14, H24	Ampliamente utilizada para brasado, revestimiento, aletas de intercambiadores de calor
Placa	6–50 mm	Menor tenacidad en secciones gruesas; microestructura más gruesa	O, H32	Menos común; usada para componentes estructurales donde la soldabilidad es clave
Extrusión	Perfiles de hasta varios metros	Buena estabilidad dimensional; resistencia gracias al trabajo en frío	O, H14, H18	El Si facilita el flujo durante la extrusión; usado en secciones arquitectónicas
Tubo	Ø 6–200 mm	Espesor de pared consistente; buena soldabilidad	O, H24	Común en condensadores y tubos de intercambiadores de calor
Barra/Varilla	Ø 3–50 mm	Buena maquinabilidad	O, H14	Suministrado con frecuencia como varilla/hilo de aporte para soldadura y brasado

Las chapas y tubos fabricados con aleaciones Al‑Si están optimizados para el ensamblaje y la transferencia de calor más que para la máxima resistencia estática. Las extrusiones se benefician de la capacidad del silicio para mejorar el flujo a través de los dados, permitiendo secciones transversales intrincadas. Las barras y varillas se usan a menudo como materia prima para la producción de hilos de aporte donde las características de fusión son la propiedad principal requerida.

Grados Equivalentes

Norma	Grado	Región	Notas
AA	— (no hay AA‑4140 listado)	USA	4140 no es un grado de aluminio estandarizado según AA; use AA‑4043/4047 para aportes comunes Al‑Si
EN AW	EN AW‑4043 / EN AW‑4047	Europa	Aleaciones comunes de aporte/brazeado con Si; la nomenclatura EN AW corresponde a familias AlSi5 y AlSi12
JIS	A4043	Japón	Aporte de soldadura ampliamente usado en Japón equivalente a AlSi5
GB/T	AlSi5 / AlSi12	China	Normas nacionales para aleaciones de aporte ricas en Si usadas para soldadura/brasado

Debido a que "4140" no es una designación establecida por la Aluminum Association, los ingenieros suelen seleccionar aleaciones AlSi estandarizadas (por ejemplo AA‑4043 o EN AW‑4047) cuyos contenidos de Si y límites de impurezas están definidos. Las diferencias entre normas radican principalmente en límites más estrictos de impurezas (Fe, Cu) y elementos traza permitidos; estas variaciones afectan la ductilidad, el comportamiento de humectación y el acabado superficial en piezas finales.

Resistencia a la Corrosión

Las aleaciones Al‑Si generalmente muestran buena resistencia a la corrosión atmosférica debido a la película nativa de óxido de aluminio. En atmósferas rurales e industriales presentan buen desempeño, aunque puede ocurrir corrosión localizada en sitios donde partículas intermetálicas (fases ricas en Fe) se concentran, creando microcélulas galvánicas que pueden iniciar picaduras bajo exposición a cloruros.

En ambientes marinos, las aleaciones Al‑Si son moderadamente resistentes, pero normalmente inferiores a las aleaciones Al‑Mg serie 5xxx en exposiciones prolongadas en agua de mar. Se aplican estrategias de protección como anodizado, recubrimientos orgánicos o protección catódica para mitigar la corrosión por picaduras y grietas inducida por cloruros.

La susceptibilidad a la corrosión por tensión en aleaciones Al‑Si es relativamente baja comparada con familias de alta resistencia Al‑Zn (7xxx) o Al‑Cu (2xxx); sin embargo, la corrosión por tensión localizada puede ser un problema en ambientes agresivamente corrosivos con esfuerzos de tracción sostenidos. Las interacciones galvánicas deben manejarse con cuidado: Al‑Si en contacto con aceros inoxidables o aleaciones de cobre puede actuar anódicamente y corroerse preferentemente si no está eléctricamente aislado.

Propiedades de Fabricación

Soldabilidad

Las aleaciones Al‑Si (4xxx) están entre las familias de aluminio más soldables. El silicio reduce problemas del rango de solidificación y disminuye la susceptibilidad a grietas en caliente, haciéndolas excelentes como aleaciones de aporte (por ejemplo 4043, 4047) para soldadura TIG y MIG de muchos sustratos de aluminio. Las elecciones recomendadas de aporte para unir conjuntos Al generalmente incluyen aportes Al‑Si compatibles con la química de la aleación base para optimizar la humectación y minimizar grietas; el control del precalentamiento y la velocidad de avance reduce la porosidad, y el reblandecimiento en zona afectada por el calor es un problema menor porque estas aleaciones no se endurecen por precipitación.

Maquinabilidad

La maquinabilidad de las aleaciones Al‑Si es favorable debido a que el Si promueve la formación de virutas cortas y quebradizas; se recomienda herramienta de carburo con geometría de filo positiva y altas velocidades de corte. Se deben seleccionar avances y velocidades para evitar formación de rebaba; la refrigeración o soplado de aire ayuda a evacuar virutas y mejorar el acabado superficial. Donde los contenidos mayores de Si producen comportamiento abrasivo, la vida útil de herramientas puede reducirse, por lo que se debe escoger material de herramienta con resistencia al desgaste.

Conformabilidad

La conformación es óptima en condición recocida (O), donde se maximizan elongación y doblabilidad. Los radios mínimos típicos de doblado interior para chapa varían de 1–2×T (espesor), dependiendo del contenido de Si y temple; los temperados por endurecimiento por deformación requieren radios mayores y pasos incrementales. La conformación en caliente puede usarse para geometrías complejas, pero debe evitarse el crecimiento de grano y la oxidación superficial que puede perjudicar uniones posteriores.

Comportamiento al Tratamiento Térmico

Las aleaciones Al‑Si 4xxx no son tratables térmicamente en el sentido clásico de endurecimiento por precipitación usado en aleaciones serie 6000/7000. No responden a tratamiento de solución y envejecimiento artificial para obtener aumentos significativos de resistencia; el silicio permanece principalmente en solución sólida o como partículas eutécticas de Si. Cuando se aplica procesamiento térmico, suele ser para alivio de tensiones, refinamiento de grano o modificación de la morfología del Si mediante modificadores como Sr o Na.

El endurecimiento por trabajo es el principal medio de aumentar resistencia: laminado o estirado en frío controlado eleva la densidad de dislocaciones y límite elástico a costa de ductilidad. El recocido (ablandamiento total) se usa para restaurar ductilidad cuando es necesario; los ciclos típicos de recocido se realizan por debajo de los rangos de fusión de Al‑Si para evitar fusión incipiente. Algunas aleaciones de aporte Al‑Si pueden tratarse con ciclos térmicos breves para homogenizar la microestructura y mejorar el comportamiento en brasado, pero estos tratamientos son específicos del proceso y no mejoran propiedades a largo plazo.

Desempeño a Alta Temperatura

Las aleaciones Al‑Si comienzan a perder resistencia estática útil a temperaturas elevadas por encima de aproximadamente 150–200 °C; la resistencia a fluencia a largo plazo es limitada en comparación con aleaciones Al especializadas para alta temperatura o aleaciones forjadas formuladas para servicio exigente. La presencia de partículas de silicio mejora algo la estabilidad dimensional a alta temperatura al actuar como refuerzo particulado, pero la retención continua de resistencia es pobre más allá de 250 °C.

La oxidación en aire está generalmente limitada a la formación de una capa protectora de Al2O3 que ralentiza la degradación; sin embargo, a temperaturas elevadas la formación de escamas o la interacción con atmósferas agresivas (portadoras de azufre, sales fundidas) puede acelerar el ataque superficial. Las ZACs de soldadura no sufren los ciclos de disolución/precipitación térmica que afectan a aleaciones endurecibles por precipitación, pero la exposición prolongada a alta temperatura puede provocar coarsening de microestructuras y reducir la tenacidad.

Aplicaciones

Industria	Componente Ejemplo	Por qué se usa 4140
Automotriz	Radiadores y condensadores brasados	Excelente humectación y fluidez para uniones brasadas; buena conductividad térmica
HVAC	Aletas y tubos de intercambiadores de calor	Baja densidad y alta conductividad térmica con buena conformabilidad en estado recocido
Aeronáutica (no primaria)	Conductos, accesorios, soportes	Bajo peso, buena resistencia a la corrosión y facilidad de unión para partes no críticas
Electrodomésticos	Placas de cocción, componentes de hornos, carcasas	Fabricación rentable y buena transferencia de calor
Consumibles de Soldadura	Varillas/hilos de aporte	Rango de fusión controlado y características de humectación para unión Al‑Al

En resumen, las aleaciones Al‑Si (4xxx) destacan donde se requieren buen comportamiento de unión, fluidez y propiedades mecánicas moderadas en lugar de resistencia máxima. Son ampliamente usadas como materiales de aporte y en sistemas térmicos debido a su equilibrio térmico, químico y mecánico.

Consejos de Selección

Considere "4140" como una decisión dentro de la clase 4xxx (Al‑Si): elíjalo cuando la soldabilidad, fluidez de fusión y buen desempeño térmico sean las prioridades más importantes en lugar de la máxima resistencia estática. Para conjuntos que requieran brasado o unión de sustratos de aluminio disímiles, un aporte 4xxx suele ser la opción más confiable y económica.

Comparado con aluminio comercialmente puro (1100), una aleación 4xxx sacrifica algo de conductividad eléctrica y conformabilidad a cambio de una resistencia sustancialmente mayor y un comportamiento de fusión/humectación muy mejorado — útil cuando importan las uniones y el desempeño térmico. Frente a aleaciones endurecidas por trabajo como 3003 o 5052, las 4xxx ofrecen resistencia a la corrosión similar o ligeramente inferior, pero mejor comportamiento de fusión y facilidad de brasado; ocupan un punto intermedio entre resistencia y capacidad de unión. Comparadas con aleaciones endurecibles térmicamente como 6061/6063, las 4xxx entregarán menor resistencia máxima pero desempeño superior en unión/brasado y a menudo menor