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Acero 4130 – Mis observaciones

Por Mingo Montanaro

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

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

El 30 en 4130 representa un valor de 0.30 por ciento de contenido de carbono. Este es un valor que considero de máximo general para soldar. Aleaciones con más del 0.30 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 como con 4130.” Concibo ahora que no podría ser así. Aparentemente esto implica que soldaduras de aceros con un porcentaje de aleación superior a 0.30, serian muy difíciles de obtener sin la posibilidad de rupturas en las juntas de soldaduras, así como inclusiones u oclusiones escondidas.

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

AISI 4130 es un acero de cromo-molibdeno el cual es en general de uso aeronáutico debido 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 4140 es un acero de cromo-molibdeno que puede ser tratado con calor a niveles de dureza aun mayor o en secciones más gruesas que AISI 4130. AISI 8630, 8735, y 8740 son aceros 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 estas aleaciones, la discusión que prosigue, se somete exclusivamente a 4130. Opino que una alteración del 4130 ocasionaría cualquiera de sus ventajas deteriorarse.

4130 es utilizado en su condición de “normalizado” o “normalizado cercano” y no requiere de tratamiento de calor. En el estado normalizado, su máxima tensión de estrés es 95 ksi. Con este valor, 4130 mantiene buena dureza y excelente elongación. Me refiero a dureza a la resistencia a la propagación de ruptura y elongación a su posibilidad de absorber energía durante una deformación sin quebrarse.

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, re calentando el área general soldada (juntura) a un color amarillento y dejándola enfriar una vez más “al aire”. Imagino que esto no es absolutamente necesario (el estrés interno de la soldadura no podría ser mucho mayor); como podría serlo con un acero que contenga mayor aleación de carbono y de seguro lo endurecería y lo haría mas resistente.

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

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

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

Es utilizado en forma fundida y forjada para una variedad de aplicaciones que requieren 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 conexión automotriz, chasis de montaje de motores, ejes, accesorios, cojinetes, engranajes, tornillos, cilindros de gas, componentes aeronáuticos, líneas hidráulicas, y partes de maquinarias nitradas. En Paraguay, NADA!!

Consideraciones especiales que creo importantes

A causa de la limitada dureza del 4130, considero que una optima y uniforme propiedad mecánica puede ser obtenida solamente en secciones que no sobrepasen 1/8 de pulgada de grosor de la sección del caño.

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

En síntesis, el tabú del 4130 para uso aeronáutico me queda claro. Es un acero de bajo costo, utilizado para la aviación Experimental fundamentalmente por su excelente manejo a la hora de soldar, siendo que los amateurs no siempre tienen a su disposición robots soldadores con todas las posibilidades mencionadas anteriormente para utilizar aleaciones de mayor dureza y fuerza sobrepasando las mencionadas del 4130. Ya ven, las empresas Serias de aviación utilizan aleaciones que sobrepasan extensamente las especificaciones del 4130. Entonces, la fabricación de un avión experimental, de vuelo recto y nivelado, o hasta del insólito acrobático con 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.

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

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

Metalúrgica del Acero

Las aleaciones de hierro, son las más comunes aleaciones ferrosas. El acero es una solución sólida del hierro y el carbono. Es llamado una solución por que el carbono es disuelto 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 mas carbono se adhiere (hasta cierto punto), mas baja la temperatura de fase. El carbono también crea nuevas fases que existen en el hierro puro. La Pearlite es una mezcla de cementite (Fe3C) y ferrite. La mayor cantidad de carbono que puede ser disuelto es austenite en un 0.80%. A esto se le llama “eutectico”. Otras aleaciones pueden ser descriptas como aleaciones autecticas. Estas aleaciones contienen la máxima cantidad 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 el acero, hasta 0.80%. Por encima de 0.80%, se obtienen carburos. De hecho, si el acero contiene menos del 0.20% de carbono, todo lo que se puede obtener es ferrite. Si el acero contiene 0.40% de carbono, se obtiene pearlite y ferrite. Si el acero contiene 0.90% de carbono, se obtienen pearlite y carburos.

Para interpretar la química de un acero conociendo sus grados, se utiliza la siguiente regla: Aceros con aleación de carbono simple 10xx. El 10 es acero de carbono simple y 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 de todos los grados de acero designan el contenido de carbono. E.g., 4130 contiene 0.30% de carbono. La clave aquí es; si se conoce la química de la aleación, se conoce su dureza, fuerza, resistencia y si un tratamiento de calentamiento podría ser efectivo, eficiente y necesario.

Pruebas Metalúrgicas

Decidí incluir esto para que todos tengamos una idea de los métodos comunes de pruebas utilizados en metales y su significado. Estos se aplican exclusivamente a propiedades mecánicas e incluyen elongación, transferencia y dureza. Algunas personas llaman a esto propiedades físicas. Esto esta equivocado! Las propiedades físicas incluyen: Conductividad eléctrica, conductividad térmica, expansión térmica, y la capacidad de reducir vibraciones. Las propiedades mecanicas pueden ser probadas a cualquier temperatura. Generalmente, a bajas temperaturas, el metal es más quebradizo y a altas temperaturas más suave y maleable. Sin embargo, encontré que existen algunas excepciones a esta como el fenómeno conocido con el nombre en ingles “hot-short.” Es algo así como cuando un acero con una aleación de sulfuro como el 1030 se pone quebradizo a temperaturas por encima a los 2050º F. (implica no soldar tan calentito, OK?).

La prueba mas interesante para mí es el de dureza. La definición de “dureza” no implica mucho mas de lo que realmente debe implicar; “habilidad de resistir a una deformación plástica” Nada mas! Cuando aplicamos una presión a un material, este se deforma de manera plástica. Lo que sucede es que los cristales del metal se mudan del paso del objeto que presiona. Descubrí que existe una gran variedad de pruebas, todas concluyen en el mismo resultado. En resumen, estos presionan un objeto sobre un metal con una carga conocida de fuerza. Es simple realmente. Si uno presiona un objeto de tamaño “X” sobre un material una distancia “X”, utilizando una carga “X”, por “X” tiempo, entonces el material debería ser “X” fuerte. Cuando mas blando es el material, el objeto que presiona penetrara más. Materiales más duros necesitan cargas de fuerza más grandes. Existen básicamente cinco tipos de pruebas. Cada una tiene varias “escalas”. Las escalas son solamente varios tamaños y formas de objetos para presionar, con una variedad de cargas. Las cinco pruebas básicas encontradas son; Rockwell, Brinell, Shore Sceler, y métodos de micro-dureza denominados 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 fuerza. Un reporte de 400 HB 3000/10/15 significa 3000 Kg con una bolita de 10mm por 15 segundos.

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

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

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

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

La formula para RA es:

Formula 1 

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

 La formula para El es:

Formula 2

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

tabla

Opino que la estructura del fuselaje de un avión construida de caño es muy parecida a una estructura simétrica. Esto significa que las fuerzas negativas y positivas de carga 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 soportar tensión y comprensión al mismo tiempo, de la misma manera que con el 4130.

La ventaja primordial encontrada en todas mis lecturas e investigaciones acerca del 4130, concluyen, en que básicamente una estructura de 4130 puede ser obtenida rápidamente. Esto se aplica principalmente a los constructores de aeronaves experimentales 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 comunes en 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% en promedio el área de grosor de la sección de los caños.

Otras pruebas incluyen dureza de ruptura, fatiga, crecimiento de ruptura, y dureza de impacto. Estos los encuentro un poco exagerado para este reporte y son generalmente utilizados por ingenieros metalúrgicos. Pruebas de desgaste, y hasta pruebas 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 Volumes
Estos 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.

Preguntas, comentarios, e insultos respecto a esta redacción pueden ser dirigidas (quizás me arrepienta de esto) a tecnisys@yahoo.com

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

10 comentarios

  1. ivan vargas escribió:

    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

  2. Gustavo Fernández escribió:

    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-

  3. SAUL GOMEZ escribió:

    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..

  4. jmora escribió:

    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

  5. Rolando Costales escribió:

    Favor necesito material de aporte para soldar acero 4140.

    Saludos y gracias

  6. ruben escribió:

    men el 1030 es un acero al carbono porlotanto es similar al 1020 no recibe tratamiento y es relativamente blando no es comparable con el 4130 ,

  7. daniel escribió:

    buenas, me parecio interesante el articulo, nosotros estamos empleando tubo 4130 con 0.065 de espesor predominante y otros espesores mas, requerimos hacer una prueba de resistencia a la traccion (carga axial), hay alguna norma ante SAE que regule como debe ser fabricada la probeta para el ensayo? o de ser asi, puedo emplear este otro articulo:

    http://www.angelfire.com/pro2/resmat/U02/01diagramaesfuerzo/diaesf.htm

    la probeta sera de tubo soldado con mic, simetrica, es valido o existe una norma especifica, ya que no la encuentro, a quien me pueda apoyar, le agradezco de antemano, disculpen pero lo requiero a la brevedad posible, es vital para nuestro trabajo. gracias

  8. LVM escribió:

    Daniel: Aquí va la respuesta de Roberto Vera Vierci, socio del Club, constructor amateur e Ingeniero Civil.

    Acero 4130
    En general, debiera hacerse el mismo proceso indicado en normas para esfuerzo limite a traccion, eg. No probar el tubo, sino una probeta tomada del tubo mismo.
    En general, es una muestra con forma de hueso de perro, una parte central de ancho constante, seguido de un ensanche en ambos extremos donde se sujetara la probeta al aparato de traccion.
    la sujecion estara centrada con la linea media de la zona de ancho constante, y se organizara para no transmitir momento
    Esta disposicion dara valores de traccion repetibles del MATERIAL de tubo , y evitara imprecisiones por forma , y podra aplicarse a FORMAS particulares, como tubos, barras ,chapas ,etc
    No se prueban en general secciones especificas, ya que la geometria particular de la seccion introduce variables aleatorias
    Roberto Vera

  9. Barra de acero escribió:

    Indudablemente ustedes hacen la diferencia, por ello tienen tantos seguidores.

  10. Juan Clavijo escribió:

    Me podrian sacar de la inquietud sobre el acero 4130. Practico bmx dirt, una modalidad en saltos de bicicleta donde los marcos están hechos en este material. Hay muchos colegas los cuales dicen que si estos marcos son pintados con pintura electrostática, donde se expone el acero 4130 a temperaturas de 66º centigrados. A lo que voy es; si se expone a esta temperatura o tal vez un poco màs alta, afecta la resistencia del material, haciendolo màs vulnerable a quiebres o fracturas. gracias por sus respuestas.

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