Acero 5140: Propiedades y aplicaciones clave

El acero 5140 se clasifica como un acero de aleación con contenido medio de carbono, conocido principalmente por su resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste. Pertenece a la serie AISI/SAE 5000 y se utiliza comúnmente en aplicaciones que requieren alta resistencia y buena resistencia a la fatiga. Los principales elementos de aleación del acero 5140 incluyen cromo (Cr), manganeso (Mn) y carbono (C), que influyen significativamente en sus propiedades mecánicas y características de rendimiento.

Descripción general completa

El acero 5140 suele contener entre un 0,38 % y un 0,43 % de carbono, entre un 0,75 % y un 1,00 % de manganeso y entre un 0,90 % y un 1,20 % de cromo. La adición de cromo mejora la templabilidad y la resistencia a la corrosión, mientras que el manganeso contribuye a la resistencia y la tenacidad. El contenido de carbono proporciona dureza y resistencia, lo que hace que el acero 5140 sea adecuado para diversas aplicaciones exigentes.

Características principales:
- Alta resistencia: el acero 5140 exhibe una excelente resistencia a la tracción y al rendimiento, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de trabajo pesado.
- Buena tenacidad: Mantiene la tenacidad incluso a temperaturas más bajas, lo que es crucial para la integridad estructural.
- Resistencia al desgaste: Los elementos de aleación contribuyen a su capacidad de soportar el desgaste, haciéndolo ideal para componentes sometidos a fricción y abrasión.

Ventajas:
- Excelentes propiedades mecánicas, incluyendo alta resistencia a la tracción y resistencia a la fatiga.
- Buena maquinabilidad y soldabilidad, lo que permite opciones de fabricación versátiles.
- Adecuado para procesos de tratamiento térmico, mejorando su desempeño en diversas aplicaciones.

Limitaciones:
- Resistencia a la corrosión moderada en comparación con los aceros inoxidables, lo que requiere recubrimientos protectores en entornos corrosivos.
- Requiere un tratamiento térmico cuidadoso para lograr las propiedades mecánicas deseadas, lo que puede complicar el procesamiento.

Históricamente, el acero 5140 se ha utilizado ampliamente en las industrias automotriz y aeroespacial para componentes como engranajes, ejes y ejes debido a su equilibrio favorable entre resistencia y tenacidad.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	G51400	EE.UU	Equivalente más cercano a AISI 5140
AISI/SAE	5140	EE.UU	Designación de uso común
ASTM	A29/A29M	EE.UU	Especificación estándar para aceros aleados
ES	42CrMo4	Europa	Pequeñas diferencias de composición
ESTRUENDO	1.7035	Alemania	Propiedades similares, utilizadas en Europa
JIS	SCM440	Japón	Equivalente con ligeras variaciones en la composición.

Las diferencias entre grados equivalentes pueden afectar la selección según los requisitos específicos de rendimiento. Por ejemplo, si bien el 42CrMo₄ y el SCM₄4 son similares, sus respuestas al tratamiento térmico pueden variar, lo que afecta la dureza y la tenacidad.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	0,38 - 0,43
Mn (manganeso)	0,75 - 1,00
Cr (cromo)	0,90 - 1,20
Si (silicio)	0,15 - 0,40
P (Fósforo)	≤ 0,035
S (Azufre)	≤ 0,040

La función principal del carbono en el acero 5140 es mejorar la dureza y la resistencia mediante tratamiento térmico. El cromo mejora la templabilidad y la resistencia a la corrosión, mientras que el manganeso contribuye a la tenacidad y la resistencia general. El silicio se incluye para mejorar la desoxidación durante la fabricación del acero.

Propiedades mecánicas

Propiedad	Condición/Temperamento	Valor/rango típico (métrico)	Valor/rango típico (imperial)	Norma de referencia para el método de prueba
Resistencia a la tracción	Templado y revenido	850 - 1000 MPa	123 - 145 ksi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Templado y revenido	650 - 850 MPa	94 - 123 ksi	ASTM E8
Alargamiento	Templado y revenido	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
Dureza (HRC)	Templado y revenido	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
Resistencia al impacto	Charpy con muesca en V, -20 °C	30 - 50 J	22 - 37 pies-lbf	ASTM E23

La combinación de alta resistencia a la tracción y al límite elástico, junto con una buena elongación, hace que el acero 5140 sea adecuado para aplicaciones que requieren resistencia a cargas mecánicas e integridad estructural. Su tenacidad a bajas temperaturas es especialmente beneficiosa para componentes expuestos a cargas dinámicas.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (métrico)	Valor (Imperial)
Densidad	Temperatura ambiente	7,85 g/cm³	0,284 lb/pulgada³
Punto de fusión	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Conductividad térmica	Temperatura ambiente	45 W/m·K	31 BTU·pulgada/(hora·pie²·°F)
Capacidad calorífica específica	Temperatura ambiente	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Resistividad eléctrica	Temperatura ambiente	0,0000017 Ω·m	0,0000017 Ω·pulgada

La densidad del acero 5140 indica una masa considerable, lo que contribuye a su resistencia. El punto de fusión es relativamente alto, lo que permite un buen rendimiento a temperaturas elevadas. La conductividad térmica y el calor específico son importantes para aplicaciones con ciclos térmicos.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C)	Clasificación de resistencia	Notas
cloruros	Varía	Ambiente	Justo	Susceptible a picaduras
Ácido sulfúrico	Bajo	Ambiente	Pobre	No recomendado
Soluciones alcalinas	Varía	Ambiente	Justo	Resistencia moderada
Atmosférico	-	Ambiente	Bien	Requiere recubrimientos protectores

El acero 5140 presenta una resistencia moderada a la corrosión, especialmente en condiciones atmosféricas. Sin embargo, es susceptible a la corrosión por picaduras en ambientes con cloruros y no debe utilizarse en condiciones ácidas sin medidas de protección. En comparación con aceros inoxidables como el 304 o el 316, la resistencia a la corrosión del acero 5140 es significativamente menor, lo que lo hace menos adecuado para aplicaciones marinas o altamente corrosivas.

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 esta temperatura
Consideraciones sobre la resistencia a la fluencia	400 °C	752 °F	Comienza a degradarse a esta temperatura.

A temperaturas elevadas, el acero 5140 mantiene buenas propiedades mecánicas hasta aproximadamente 400 °C (752 °F). Por encima de esta temperatura, puede sufrir oxidación y pérdida de resistencia. Esto lo hace adecuado para aplicaciones con exposición limitada al calor.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
MIG	ER70S-6	Argón + CO2	Bueno para secciones delgadas
TIG	ER80S-Ni	Argón	Requiere precalentamiento
Palo	E7018	-	Adecuado para secciones más gruesas.

El acero 5140 generalmente se considera soldable, pero se recomienda precalentarlo para evitar el agrietamiento. El tratamiento térmico posterior a la soldadura puede mejorar las propiedades del área soldada, garantizando así su integridad.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	Acero 5140	AISI 1212	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	60	100	5140 es menos mecanizable que 1212
Velocidad de corte típica (torneado)	40 metros por minuto	60 metros por minuto	Ajuste las herramientas para obtener mejores resultados

La maquinabilidad puede ser un desafío debido a la dureza del acero 5140, lo que requiere herramientas y velocidades de corte adecuadas para lograr resultados óptimos.

Formabilidad

El acero 5140 presenta una conformabilidad moderada. El conformado en frío es viable, pero se prefiere el conformado en caliente para formas complejas a fin de evitar el endurecimiento por acritud. Los radios de curvatura deben calcularse cuidadosamente para evitar el agrietamiento.

Tratamiento térmico

Proceso de tratamiento	Rango de temperatura (°C)	Tiempo típico de remojo	Método de enfriamiento	Propósito principal / Resultado esperado
Recocido	600 - 700	1 - 2 horas	Aire	Suaviza, mejora la ductilidad
Temple	800 - 850	30 minutos	Aceite o agua	Endurecimiento
Templado	400 - 600	1 hora	Aire	Reducir la fragilidad, mejorar la tenacidad.

Los procesos de tratamiento térmico afectan significativamente la microestructura del acero 5140, transformándolo de austenita a martensita durante el temple, lo que mejora su dureza. El revenido permite un equilibrio entre dureza y tenacidad.

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, resistencia al desgaste.	Esencial para la durabilidad
Aeroespacial	Ejes	Tenacidad, resistencia a la fatiga	Crítico para la seguridad
Maquinaria	Ejes	Alta resistencia a la tracción, resistencia al impacto.	Necesario para cargas pesadas
Estampación	Herramientas de corte	Dureza, resistencia al desgaste	Necesario para la longevidad

Otras aplicaciones incluyen:
* - Cigüeñales
* - Sujetadores
* - Componentes estructurales en maquinaria

El acero 5140 se elige para estas aplicaciones debido a sus excelentes propiedades mecánicas, que garantizan confiabilidad y rendimiento bajo tensión.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	Acero 5140	AISI 4140	AISI 4340	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Alta resistencia	Fuerza moderada	Muy alta resistencia	5140 ofrece un equilibrio entre fuerza y ​​dureza.
Aspecto clave de la corrosión	Justo	Pobre	Justo	5140 es mejor que 4140 pero no tan bueno como 4340
Soldabilidad	Bien	Moderado	Pobre	5140 es más fácil de soldar que 4340
Maquinabilidad	Moderado	Pobre	Pobre	5140 es más mecanizable que ambas alternativas
Formabilidad	Moderado	Pobre	Pobre	5140 permite mejores capacidades de conformado
Costo relativo aproximado	Moderado	Moderado	Más alto	Rentable por sus propiedades
Disponibilidad típica	Común	Común	Menos común	5140 está ampliamente disponible en varias formas

Al seleccionar el acero 5140, se deben considerar sus propiedades mecánicas, disponibilidad y rentabilidad. Su moderada resistencia a la corrosión y soldabilidad lo hacen adecuado para diversas aplicaciones, mientras que su maquinabilidad puede ser un factor limitante en algunos casos. Comprender los requisitos específicos de la aplicación es crucial para una selección óptima del material.