4130

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Acero 4130 - Mis observaciones

Abril 30, 2004 | Categoría: Artículos

Por Mingo Montanaro

Desde hace algunos meses me estoy preguntando; ¿por que el famoso, súper y recontra pronunciado tubo (o caño) 4130 es utilizado para la construcción de fuselajesy otras partes en la aviación experimental moderna? Bien, decidí investigar alrenombrado 4130 y resolver por cuenta propia si lo que se dice de él, es totalmenteacertado.

Entiendo que es un acero con aleación de Cromo y Molibdeno, esta referido ademáscomo un acero que contiene un bajo contenido de carbono. Después de investigar unmontón (algunas horas de Internet y mis libros “viejos” de química); me di cuentaque contiene lo que consideraría características únicas que la hacen muy propiciaspara soldar estructuras de tubo.

El 30 en 4130 representa un valor de 0.30 por ciento de contenido de carbono. Estees un valor que considero de máximo general para soldar. Aleaciones con más del0.30 por ciento de carbono no podrían ser tan fáciles de soldar.

Pienso que muchas personas nuevas (me incluyo como máximo común denominador)en el mundo del “SOLDADO” dirían, “yo podría soldar con 4140 tan fácilmente comocon 4130.” Concibo ahora que no podría ser así. Aparentemente esto implica quesoldaduras de aceros con un porcentaje de aleación superior a 0.30, serian muydifíciles de obtener sin la posibilidad de rupturas en las juntas de soldaduras, asícomo inclusiones u oclusiones escondidas.

Investigando aun más, considero que el 4130 no es del todo ventajoso para todas lasaplicaciones aeronáuticas. Creo sin embargo que es la mejor opción para fuselajes detubo soldado y aplicaciones que requieren material de hasta 1/8 de pulgadas deanchura. Tiene una dureza de extensión de 90-95 ksi (ksi = 1000 libras por pulgadacuadrada) en condición normalizada (método de soldar) con un máximo detratamiento de calor (en un horno) de 180 ksi. La mayoría de las partes diseñadaspor fabricantes de aeronaves (especialmente de aeronaves de alto performance)utiliza aleaciones capaces de soportar de 220 a 240 ksi. Inclusive muchas aeronavesestán ahora utilizando aleaciones capaces de soportar 300 ksi para ciertasaplicaciones. Esto me dice que no utilizan el famosísimo 4130.

AISI 4130 es un acero de cromo-molibdeno el cual es en general de uso aeronáuticodebido a su bien establecida práctica de tratamiento de calor y procesos técnicos.

AISI 4135 es una versión ligeramente mayor de carbono del AISI 4130. AISI 4140es un acero de cromo-molibdeno que puede ser tratado con calor a niveles de durezaaun mayor o en secciones más gruesas que AISI 4130. AISI 8630, 8735, y 8740 sonaceros de níkel-cromo-molibdeno considerados como alternativas al AISI 4130, 4135,y 4140, respectivamente.

Deseo dar por entendido que aun con todas las similitudes encontradas en estasaleaciones, la discusión que prosigue, se somete exclusivamente a 4130. Opino queuna alteración del 4130 ocasionaría cualquiera de sus ventajas deteriorarse.

4130 es utilizado en su condición de “normalizado” o “normalizado cercano” y no

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requiere de tratamiento de calor. En el estado normalizado, su máxima tensión deestrés es 95 ksi. Con este valor, 4130 mantiene buena dureza y excelenteelongación. Me refiero a dureza a la resistencia a la propagación de ruptura yelongación a su posibilidad de absorber energía durante una deformación sinquebrarse.

De acuerdo a lo investigado, al dejar enfriar “al aire” la juntura, esta se “normaliza”.Extrema normalización y demora del posible estrés interno puede ser obtenido, recalentando el área general soldada (juntura) a un color amarillento y dejándolaenfriar una vez más “al aire”. Imagino que esto no es absolutamente necesario (elestrés interno de la soldadura no podría ser mucho mayor); como podría serlo conun acero que contenga mayor aleación de carbono y de seguro lo endurecería y loharía mas resistente.

Considero que el 4130 al ser una aleación baja en carbono, tiene relativamente bajadureza, sus óptimas propiedades de combinaciones son desarrolladas y obtenidas enlimitadas secciones de grosor con tratamientos de calentamiento y templado. Aunasí, aparentemente alcanza dureza y fuerza para muchas aplicaciones bajo unestricto método de normalización, transformándose así en una de las más popularesaleaciones de acero por su buena molde-habilidad y simplicidad en soldar junto conexcelentes propiedades mecánicas.

Se recomienda para usos a temperaturas hasta 700° F, porque su dureza disminuyemarcadamente con temperaturas que sobrepasen ese nivel. A temperaturas sub.-cero experimenta transiciones de moldeable a quebradizo demostrado en un test deimpacto ”Charpy V” donde exhibe propiedades pobres de impacto. La transición detemperatura varía con el tratamiento de calor.

Este acero no esta sujeto a temple quebradizo, por lo tanto puede ser nitrado. (Elnitrato proporciona una dura superficie en aplicaciones de fricción tales comoengranajes.) Usualmente es forjado de 2000° F a 2200° F y la temperatura finalnunca debe estar por debajo de 1800° F.

Es utilizado en forma fundida y forjada para una variedad de aplicaciones querequieren alta dureza y fuerza.

De lo que pude investigar, el 4130 esta disponible en los EEUU, Canadá, Méjico,Europa, Australia y Brasil en diferentes variables tales como; barras, varas, tubos,placas, laminas, fundido y forjado. Es utilizado para hacer varas de conexiónautomotriz, chasis de montaje de motores, ejes, accesorios, cojinetes, engranajes,tornillos, cilindros de gas, componentes aeronáuticos, líneas hidráulicas, y partes demaquinarias nitradas. En Paraguay, NADA!!

Consideraciones especiales que creo importantes

A causa de la limitada dureza del 4130, considero que una optima y uniformepropiedad mecánica puede ser obtenida solamente en secciones que no sobrepasen1/8 de pulgada de grosor de la sección del caño.

Para aplicaciones críticas que requieran alta dureza y fuerza, entonces, deberíahacerse uso de cálculos de dureza, fuerza, estrés y otros factores estáticos así comodinámicos para determinar las composiciones adecuadas.

En síntesis, el tabú del 4130 para uso aeronáutico me queda claro. Es un acero debajo costo, utilizado para la aviación Experimental fundamentalmente por suexcelente manejo a la hora de soldar, siendo que los amateurs no siempre tienen asu disposición robots soldadores con todas las posibilidades mencionadasanteriormente para utilizar aleaciones de mayor dureza y fuerza sobrepasando lasmencionadas del 4130. Ya ven, las empresas Serias de aviación utilizan aleacionesque sobrepasan extensamente las especificaciones del 4130. Entonces, la fabricaciónde un avión experimental, de vuelo recto y nivelado, o hasta del insólito acrobáticocon otra acero que no sea 4130 tal como el 1030 es un desafió?

Elementos de aleación y su efecto en el Acero

Carbono: Incrementa dureza y fuerza

Cromo: Incrementa resistencia a la corrosión, dureza y resistencia al desgaste

Manganesio: Incrementa dureza y contrarresta posible ruptura derivada del sulfuro

Molibdeno : Incrementa dureza, levanta el avance de dureza por calentamiento,realza la resistencia a la corrosión y desgaste.

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http://www.avnet.co.uk/bmaa/

http://www.cafefoundation.org/services.htm

http://www.eaa.org/

http://www.ulmt.it/default_en.htm

http://www.pra.org/

http://www.raa.ca/

http://www.sportclass.com/

http://www.ssa.org/

http://www.supercub.org/schome.php

http://www.avweb.com/



realza la resistencia a la corrosión y desgaste.

Fosforo: Incrementa dureza, manejo, y resistencia a la corrosión.

Sulfuro: Incrementa dureza, levanta el avance de dureza por calentamiento, realza laresistencia a la corrosión y desgaste.

Metalúrgica del Acero

Las aleaciones de hierro, son las más comunes aleaciones ferrosas. El acero es unasolución sólida del hierro y el carbono. Es llamado una solución por que el carbono esdisuelto en el hierro. El hierro es el disolvente y el carbono es la solución.

Cuando se adhiere carbono al hierro, las temperaturas son alteradas. Cuando mascarbono se adhiere (hasta cierto punto), mas baja la temperatura de fase. El carbonotambién crea nuevas fases que existen en el hierro puro. La Pearlite es una mezclade cementite (Fe3C) y ferrite. La mayor cantidad de carbono que puede ser disueltoes austenite en un 0.80%. A esto se le llama “eutectico”. Otras aleaciones puedenser descriptas como aleaciones autecticas. Estas aleaciones contienen la máximacantidad del elemento de aleación que puede ser disuelto en un material paterno.

En cuanto mas carbono es adherido (por encima del 0.20%), mas pearlite es elacero, hasta 0.80%. Por encima de 0.80%, se obtienen carburos. De hecho, si elacero contiene menos del 0.20% de carbono, todo lo que se puede obtener esferrite. Si el acero contiene 0.40% de carbono, se obtiene pearlite y ferrite. Si elacero contiene 0.90% de carbono, se obtienen pearlite y carburos.

Para interpretar la química de un acero conociendo sus grados, se utiliza la siguienteregla: Aceros con aleación de carbono simple 10xx. El 10 es acero de carbono simpley las xx son el contenido de carbono. Ejemplo., 1030 contiene un 0.30% de carbono.Los aceros de grado 10 también contienen Mn, P, y Si. Los dos últimos números detodos los grados de acero designan el contenido de carbono. E.g., 4130 contiene0.30% de carbono. La clave aquí es; si se conoce la química de la aleación, seconoce su dureza, fuerza, resistencia y si un tratamiento de calentamiento podría serefectivo, eficiente y necesario.

Pruebas Metalúrgicas

Decidí incluir esto para que todos tengamos una idea de los métodos comunes depruebas utilizados en metales y su significado. Estos se aplican exclusivamente apropiedades mecánicas e incluyen elongación, transferencia y dureza. Algunaspersonas llaman a esto propiedades físicas. Esto esta equivocado! Las propiedadesfísicas incluyen: Conductividad eléctrica, conductividad térmica, expansión térmica, yla capacidad de reducir vibraciones. Las propiedades mecanicas pueden ser probadasa cualquier temperatura. Generalmente, a bajas temperaturas, el metal es másquebradizo y a altas temperaturas más suave y maleable. Sin embargo, encontré queexisten algunas excepciones a esta como el fenómeno conocido con el nombre eningles “hot-short.” Es algo así como cuando un acero con una aleación de sulfurocomo el 1030 se pone quebradizo a temperaturas por encima a los 2050º F. (implicano soldar tan calentito, OK?).

La prueba mas interesante para mí es el de dureza. La definición de “dureza” noimplica mucho mas de lo que realmente debe implicar; “habilidad de resistir a unadeformación plástica” Nada mas! Cuando aplicamos una presión a un material, estese deforma de manera plástica. Lo que sucede es que los cristales del metal semudan del paso del objeto que presiona. Descubrí que existe una gran variedad depruebas, todas concluyen en el mismo resultado. En resumen, estos presionan unobjeto sobre un metal con una carga conocida de fuerza. Es simple realmente. Si unopresiona un objeto de tamaño “X” sobre un material una distancia “X”, utilizando unacarga “X”, por “X” tiempo, entonces el material debería ser “X” fuerte. Cuando masblando es el material, el objeto que presiona penetrara más. Materiales más durosnecesitan cargas de fuerza más grandes. Existen básicamente cinco tipos depruebas. Cada una tiene varias “escalas”. Las escalas son solamente varios tamañosy formas de objetos para presionar, con una variedad de cargas. Las cinco pruebasbásicas encontradas son; Rockwell, Brinell, Shore Sceler, y métodos de micro-durezadenominados Knoop y Vickers. Cuando uno reporta el valor de dureza de un material,uno debe absolutamente reportar el método utilizado.

Para Rockwell, se debe reportar la escala. “dureza de 85 Rockwell C, o “85 HRC”.Rockwell tiene una variedad de escalas. Las mas comunes son: A, B, C, D, 15N,30N, 15T y 30T. Cada una tiene un objeto de presión y carga de fuerza. Para Brinell,se debe reportar la carga, el diámetro del objeto de presión y tiempo de carga de

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Expedición aérea a Sudamérica

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fuerza. Un reporte de 400 HB 3000/10/15 significa 3000 Kg con una bolita de 10mmpor 15 segundos.

El método de micro-dureza es llevado a cabo de la misma manera que el métodoBrinell excepto que son llevados a cabo bajo un microscopio. La “deformación”ocasionada en el material es medida utilizando equipamiento de medición que estainstalado en el microscopio.

El método Shore Scele es completamente diferente a todos los demás. Lo bueno deeste método es que puede ser llevado a cabo por cualquiera y rápidamente. Lo maloes que no es exacto, pero para el propósito sirve. Se deja caer una bola detungsteno dentro de un cilindro. Cuando la bola rebota, se mide la distancia derebote. Cuando mas alto el rebote, mas duro el material.

La elongación es calculada por la fuerza aplicada, en libras, dividida por el áreaseccional en pulgadas cuadradas (F/A). Materiales quebradizos tendrían el punto deelongación y transferencia cercanas. Un material moldeable tendría estos puntos masseparados.

Otro puntito de dato que pude descubrir es la prueba de elongación denominadoYoung’s Modulus of Elasticity (E). Esto es el estrés, en pulgadas, dividido por la fatigaen psi. Todo acero tiene un modulo de alrededor de 28 millones de psi. Otro puntode dato es la elongación (El) y la reducción de área (RA). La elongación es la medidade extensión en por ciento de un calibrador (micrómetro). La reducción de área es lacantidad en la cual la barra de prueba se afina cuando la barra es estirada.

La formula para RA es:

Donde:Af es Area final cross-seccionalAo es Area original cross-seccional

La formula para El es:

Donde:Lf es medida final del micrómetro.Lo medida original del micrómetro.



Opino que la estructura del fuselaje de un avión construida de caño es muy parecidaa una estructura simétrica. Esto significa que las fuerzas negativas y positivas decarga dinámica sobre el mismo son casi iguales entre si. Atendiendo estos factores,la construcción de un fuselaje con un acero que no sea el 4130 debería soportartensión y comprensión al mismo tiempo, de la misma manera que con el 4130.

La ventaja primordial encontrada en todas mis lecturas e investigaciones acerca del4130, concluyen, en que básicamente una estructura de 4130 puede ser obtenidarápidamente. Esto se aplica principalmente a los constructores de aeronavesexperimentales de los EEUU, donde un soldador no necesita ser aprobado, licenciado,ni certificado como en Europa o Australia. Esta diferencia en regulaciones,históricamente tiene que ver con el espíritu pionero y explica satisfactoriamente(para mi comprensión) por que las estructuras de fuselajes de caño son tan comunesen los EEUU, además de su gran disponibilidad (AISI 1026 ya no esta disponible).

Finalmente, concluyo que la utilización del 1030 no seria un abominable desafió,pues seria aproximadamente igual en dureza al 4130, aumentando tan solo 10% enpromedio el área de grosor de la sección de los caños.

Otras pruebas incluyen dureza de ruptura, fatiga, crecimiento de ruptura, y durezade impacto. Estos los encuentro un poco exagerado para este reporte y songeneralmente utilizados por ingenieros metalúrgicos. Pruebas de desgaste, y hastapruebas simples de combatura son comunes, pero quizás en otro momento.

STRENGTH OF MATERIALS, -Timoshenko.Elementary Theory and Problems, -Timoshenko.Avner, Sidney H.: Introduction to Physical Metallurgy, McGraw-Hill, inc.ASM, Metals Handbook 20 VolumesEstos libros están Disponibles en Krueger Publishing Company, P.O. Box 9542,Melbourne, FL 32902-9542. o en mi casa.Bernice G. Segal.: Chemistry, experiment and theory.Bueche.: Statics – Fourth edition.



5 Comentarios

ivan vargas Junio 30, 2006 9:46 pm

hola ,toda mi vida e contruido en 4130 aviones ,y mismo aplico 316 l inox

como material de aporte (tig) no problemo te cuento que mismo e reparado

piper j-3 que tienen 1020como tubos de fuselajes .si quieres saber mas

contactame

chao

saludos

ivan

francia

Gustavo Fernández Agosto 21, 2006 10:03 pm

Mi estimado Mingo, la verdad es que el análisis que has hecho deja claro que

las diferencias entre ambos materiales alcanzan a ser mínimas.

El artículo me parece excelente y muy enriquecedor, la única inquietud que

tengo como neófito en la materia es ¿como anda la relación de pesos entre

ambos materiales?, considerando que hay que variar algunos espesores para

obtener la misma eficiencia que con el 4130, que aquí en Argentina tampoco

se consigue “a la vuelta de la esquina”… y su valor suele estar alejado de la

realidad que vivimos quienes nos dedicamos al sueño del avión experimental

con escasos recursos como en mi caso.

Voy a guardar el artículo con tu permiso, y analiazré seriamente la posibilidad

del uso de 1010.

Te mando un fuerte abrazo

Gustavo Fernández

Córdoba -Argentina-

SAUL GOMEZ Mayo 30, 2007 2:38 pm

Te agradesco enormemente tu investigacion respecto a este acero 4130, me

ha servido tecnicamente de mucho, y aprovecho para preguntarte si dentro de

tu investigacion tienes los datos tecnicos sobre el electrodo recomendado para

unir este tipo de aleacion.. Gracias..

jmora Diciembre 6, 2009 9:05 pm

estimado amigo me parece excelente el analisis del acero 4130 pero quisiera

saber, si 1030 requiere un espesor mayor para darle misma propiedades

mecanicas, resistencias a la torsion y flexion mucho sabria agradecer si puedes

suministrar informacion debido a que esto es parte de tesis de grado

Preguntas, comentarios, e insultos respecto a esta redacción pueden ser dirigidas(quizás me arrepienta de esto) a [email protected]

Quisiera también agradecer a mi gran amigo J.C. Parini por toda su ayudaespecialmente en la difusión de esta redacción.

http://saulfarithotmail.com/

mailto:[email protected]



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Rolando Costales Febrero 2, 2010 1:44 pm

Favor necesito material de aporte para soldar acero 4140.

Saludos y gracias

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