Acero 4120: Propiedades y aplicaciones clave

El acero 4120 se clasifica como un acero de aleación con contenido medio de carbono, conocido principalmente por su excelente templabilidad y resistencia. Los principales elementos de aleación del acero 4120 incluyen cromo (Cr) y molibdeno (Mo), que mejoran sus propiedades mecánicas y su resistencia al desgaste. Este grado de acero se utiliza a menudo en aplicaciones que requieren alta resistencia y tenacidad, lo que lo hace adecuado para componentes sometidos a altas cargas y tensiones.

Descripción general completa

El acero 4120 presenta características importantes, como buena maquinabilidad, soldabilidad y capacidad de ser tratado térmicamente para alcanzar la dureza deseada. Sus propiedades inherentes incluyen una resistencia a la tracción que puede alcanzar hasta 1000 MPa (145 ksi) con un tratamiento térmico adecuado, además de buena ductilidad y resistencia al impacto.

Ventajas:
- Alta resistencia: Los elementos de aleación proporcionan mayor resistencia y tenacidad.
- Buena capacidad de endurecimiento: Se puede tratar térmicamente para lograr altos niveles de dureza.
- Aplicaciones versátiles: adecuado para diversas aplicaciones de ingeniería, incluidos engranajes, ejes y otros componentes críticos.

Limitaciones:
- Resistencia a la corrosión: No es tan resistente a la corrosión como los aceros inoxidables, lo que puede limitar su uso en ciertos entornos.
- Coste: Generalmente más caros que los aceros bajos en carbono debido a los elementos de aleación.

Históricamente, el acero 4120 se ha utilizado en las industrias automotriz y aeroespacial, donde sus propiedades mecánicas son cruciales para el rendimiento y la seguridad. Su posición en el mercado es sólida, siendo a menudo la opción predilecta para fabricantes que requieren materiales confiables y duraderos.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	G41200	EE.UU	Equivalente más cercano a AISI 4140
AISI/SAE	4120	EE.UU	Pequeñas diferencias de composición con respecto a AISI 4140
ASTM	A29/A29M	EE.UU	Especificación general para aceros aleados
ES	1.7218	Europa	Equivalente a 4120 con ligeras variaciones
ESTRUENDO	42CrMo4	Alemania	Propiedades similares, a menudo utilizadas indistintamente
JIS	SCM420	Japón	Grado comparable con pequeñas diferencias

Las diferencias entre el 4120 y sus equivalentes, como el AISI 4140, residen principalmente en los porcentajes específicos de elementos de aleación, que pueden influir en la templabilidad y la tenacidad. Por ejemplo, el 4140 suele tener un mayor contenido de carbono, lo que puede aumentar su dureza, pero también reducir su ductilidad.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	0,18 - 0,22
Mn (manganeso)	0,60 - 0,90
Cr (cromo)	0,80 - 1,10
Mo (molibdeno)	0,15 - 0,25
Si (silicio)	0,15 - 0,40
P (Fósforo)	≤ 0,035
S (Azufre)	≤ 0,040

Las funciones principales de los elementos de aleación clave en el acero 4120 son las siguientes:
- Cromo (Cr): Mejora la templabilidad y mejora la resistencia al desgaste.
- Molibdeno (Mo): Aumenta la resistencia a temperaturas elevadas y mejora la tenacidad.
- Manganeso (Mn): Mejora la templabilidad y contribuye a la resistencia general del acero.

Propiedades mecánicas

Propiedad	Condición/Temperamento	Temperatura de prueba	Valor/rango típico (métrico)	Valor/rango típico (imperial)	Norma de referencia para el método de prueba
Resistencia a la tracción	Templado y revenido	Temperatura ambiente	850 - 1.000 MPa	123 - 145 ksi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	650 - 850 MPa	94 - 123 ksi	ASTM E8
Alargamiento	Templado y revenido	Temperatura ambiente	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
Dureza (Rockwell C)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
Resistencia al impacto	Charpy con muesca en V	-20 °C (-4 °F)	30 - 50 J	22 - 37 pies-lbf	ASTM E23

La combinación de estas propiedades mecánicas hace que el acero 4120 sea especialmente adecuado para aplicaciones con cargas dinámicas y entornos de alta tensión, como en componentes de automoción y aeroespaciales. Sus altos límites de tensión y elasticidad, junto con su buena ductilidad, le permiten soportar deformaciones significativas antes de fallar.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (métrico)	Valor (Imperial)
Densidad	-	7,85 g/cm³	0,284 lb/pulgada³
Punto/rango de fusión	-	1.540 - 1.600 °C	2804 - 2912 °F
Conductividad térmica	20°C	45 W/m·K	31 BTU·pulgada/(hora·pie²·°F)
Capacidad calorífica específica	20°C	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Coeficiente de expansión térmica	20-100°C	11,5 x 10⁻⁶ /K	6,36 x 10⁻⁶ /°F

La importancia práctica de la densidad y las propiedades térmicas del acero 4120 es crucial en aplicaciones donde el peso y la gestión térmica son cruciales. Su densidad relativamente alta contribuye a su resistencia, mientras que su conductividad térmica permite una disipación térmica eficaz en entornos de alto rendimiento.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C/°F)	Clasificación de resistencia	Notas
cloruros	3-5%	25 °C (77 °F)	Justo	Riesgo de corrosión por picaduras
Ácido sulfúrico	10%	25 °C (77 °F)	Pobre	No recomendado
Hidróxido de sodio	50%	25 °C (77 °F)	Justo	Susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión

El acero 4120 presenta una resistencia moderada a la corrosión, especialmente en entornos con cloruros, donde puede sufrir picaduras. En comparación con aceros inoxidables como el 304 o el 316, que ofrecen una excelente resistencia a la corrosión, el 4120 es menos adecuado para aplicaciones en entornos altamente corrosivos.

En términos de susceptibilidad, el 4120 puede enfrentar desafíos como el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) en entornos alcalinos, lo que es una consideración crítica para aplicaciones en procesamiento químico o entornos marinos.

Resistencia al calor

Propiedad/Límite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observaciones
Temperatura máxima de servicio continuo	400°C	752°F	Adecuado para calor moderado.
Temperatura máxima de servicio intermitente	500°C	932°F	Sólo exposición a corto plazo
Temperatura de escala	600°C	1112 °F	Riesgo de oxidación más allá de esto

A temperaturas elevadas, el acero 4120 mantiene su resistencia, pero puede comenzar a perder dureza y tenacidad si se expone durante períodos prolongados. Su resistencia a la oxidación es moderada, por lo que se debe tener cuidado para evitar la formación de incrustaciones en aplicaciones de alta temperatura.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
MIG	ER70S-6	Argón/CO2	Se recomienda precalentar
TIG	ER70S-2	Argón	Requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Palo	E7018	-	Bueno para secciones más gruesas

El acero 4120 generalmente se considera soldable, pero suele recomendarse el precalentamiento para evitar el agrietamiento. El tratamiento térmico posterior a la soldadura también puede mejorar las propiedades mecánicas de la soldadura, garantizando así su integridad estructural.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	[Acero 4120]	[AISI 1212]	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	60%	100%	4120 es más difícil de mecanizar
Velocidad de corte típica (torneado)	40-60 m/min	80-100 m/min	Utilice herramientas de carburo para obtener mejores resultados.

La maquinabilidad del acero 4120 es moderada. Requiere una cuidadosa selección de herramientas de corte y parámetros para lograr resultados óptimos. Las herramientas de acero de alta velocidad pueden desgastarse rápidamente, por lo que suelen preferirse las herramientas de carburo.

Formabilidad

El acero 4120 presenta buena conformabilidad, lo que permite procesos de conformado en frío y en caliente. Sin embargo, se debe tener cuidado para evitar un endurecimiento excesivo por acritud, que puede provocar grietas durante las operaciones de conformado. El radio de curvatura mínimo debe considerarse en función del espesor del material.

Tratamiento térmico

Proceso de tratamiento	Rango de temperatura (°C/°F)	Tiempo típico de remojo	Método de enfriamiento	Propósito principal / Resultado esperado
Recocido	600 - 700 / 1.112 - 1.292	1 - 2 horas	Aire	Suavidad, ductilidad mejorada
Temple	850 - 900 / 1.562 - 1.652	30 minutos	Aceite/Agua	Endurecimiento
Templado	400 - 600 / 752 - 1.112	1 hora	Aire	Reducir la fragilidad, mejorar la tenacidad.

Durante el tratamiento térmico, el acero 4120 sufre importantes transformaciones metalúrgicas. El temple aumenta la dureza mediante la formación de martensita, mientras que el revenido permite ajustar la dureza y la tenacidad, creando un equilibrio adecuado para diversas aplicaciones.

Aplicaciones típicas y usos finales

Industria/Sector	Ejemplo de aplicación específica	Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación	Motivo de la selección (breve)
Automotor	Engranajes	Alta resistencia, tenacidad.	Esencial para el rendimiento
Aeroespacial	Componentes del tren de aterrizaje	Alta resistencia a la fatiga	Crítico para la seguridad
Petróleo y gas	brocas	Resistencia al desgaste, tenacidad	Entornos de alto estrés
Maquinaria pesada	Ejes	Resistencia, maquinabilidad	Durabilidad bajo carga

Otras aplicaciones del acero 4120 incluyen:
- Componentes estructurales en maquinaria
- Elementos de fijación y pernos
- Aplicaciones de herramientas

La elección del acero 4120 en estas aplicaciones se debe principalmente a sus excelentes propiedades mecánicas, que proporcionan confiabilidad y rendimiento en condiciones exigentes.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	[Acero 4120]	[AISI 4140]	[AISI 4340]	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Alta resistencia	Mayor dureza	Mayor tenacidad	4140 ofrece una mejor templabilidad
Aspecto clave de la corrosión	Moderado	Pobre	Justo	4340 tiene mejor resistencia a la corrosión
Soldabilidad	Bien	Moderado	Justo	4140 puede requerir más cuidado al soldar
Maquinabilidad	Moderado	Bien	Justo	4140 es más fácil de mecanizar
Formabilidad	Bien	Moderado	Justo	4140 tiene menor formabilidad
Costo relativo aproximado	Moderado	Más alto	Más alto	El costo varía según los elementos de aleación.
Disponibilidad típica	Común	Común	Menos común	La disponibilidad puede variar según la región.

Al seleccionar el acero 4120, se deben considerar sus propiedades mecánicas, rentabilidad y disponibilidad. Si bien ofrece un buen equilibrio entre resistencia y tenacidad, alternativas como AISI 4140 o 4340 pueden ser más adecuadas según los requisitos específicos de la aplicación. Además, se deben evaluar los factores de seguridad y las condiciones ambientales para garantizar un rendimiento óptimo y la durabilidad de los componentes fabricados con este grado de acero.