100Cr6 vs 100CrMo7 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
100Cr6 e 100CrMo7 são dois aços de cromo de alto carbono comumente usados para rolamentos de elementos rolantes, eixos e outros componentes críticos para desgaste. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura pesam regularmente as compensações entre custo, temperabilidade, tenacidade e complexidade de processamento ao escolher entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem se a maior resistência ao endurecimento e a resistência a altas temperaturas justificam um custo de liga ligeiramente mais alto e controle de tratamento térmico, ou se a química mais simples da liga base é preferível para a prática de rolamentos estabelecida.
A principal distinção metalúrgica entre essas duas ligas é a adição deliberada de molibdênio em 100CrMo7 para melhorar a temperabilidade e a resistência ao revenido. Essa única alteração na liga altera a resposta ao tratamento térmico, as propriedades mecânicas retidas em altas temperaturas e, em menor grau, a soldabilidade e o custo — razões pelas quais essas ligas são frequentemente comparadas no design de componentes.
1. Normas e Designações
- 100Cr6
- Equivalentes internacionais comuns: designação EN 100Cr6 (número do material 1.3505), aço para rolamentos ISO; frequentemente igualado ao AISI 52100 na nomenclatura dos EUA.
- Categoria: Aço para rolamentos de cromo de alto carbono (família de aço para ferramentas/rolamentos).
- 100CrMo7
- Designação EN: 100CrMo7 (usado em especificações europeias para aços para rolamentos ligados).
- Categoria: Aço para rolamentos/liga de cromo-molibdênio de alto carbono (aço para rolamentos/liga).
Normas relevantes onde essas ligas aparecem: EN (europeia), ISO (normas de aço para rolamentos) e várias especificações de fabricantes. Eles não são aços inoxidáveis; são aços de alto carbono, ligados, destinados ao endurecimento e revenido.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela abaixo apresenta faixas de composição típicas (wt%) citadas em especificações comumente usadas para essas ligas. Os limites exatos diferem por norma e fornecedor; consulte a ficha de norma específica para limites certificados.
| Elemento | 100Cr6 (wt% típico) | 100CrMo7 (wt% típico) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | 1.30 – 1.65 | ~0.8 – 1.4 |
| Ni | ≤ 0.30 (traços) | ≤ 0.30 (traços) |
| Mo | ≤ 0.08 (traço) | 0.10 – 0.30 |
| V | Tipicamente ≤ 0.05 | Tipicamente ≤ 0.05 |
| Nb, Ti, B | Tipicamente ≤ níveis de traço | Tipicamente ≤ níveis de traço |
Como a estratégia de liga afeta o desempenho: - O carbono (próximo a 1,0%) fornece a matriz para alta temperabilidade e dureza alcançável após o resfriamento e revenido; é o principal fator de resistência ao desgaste. - O cromo (~1–1,6%) aumenta a temperabilidade, contribui para a formação de carbonetos (melhorando a resistência à fadiga e ao desgaste) e refina o grão quando controlado. - O molibdênio (presente em 100CrMo7 em níveis modestos) aumenta a temperabilidade de forma mais eficaz por peso do que o cromo, melhora a resistência ao revenido (maior retenção de resistência após o revenido) e reduz o risco de trincas por resfriamento ao permitir taxas de resfriamento mais lentas para uma determinada dureza do núcleo. - O manganês e o silício estão presentes como desoxidantes e suportam a resistência/temperabilidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Como laminado/normatizado: ambas as ligas apresentam uma microestrutura perlítica ou ferrito-perlítica dependendo da taxa de resfriamento e do processamento anterior. - Após resfriamento e revenido: matriz martensítica com uma população de carbonetos ricos em cromo. 100Cr6 tipicamente forma carbonetos de cromo finos e uniformemente distribuídos; 100CrMo7 mostra química de carboneto semelhante, mas com partição de molibdênio para a matriz e carbonetos, o que estabiliza os carbonetos e refina a resposta ao revenido.
Comportamento do tratamento térmico: - A normalização melhora o tamanho do grão e homogeneiza a microestrutura para ambas as ligas. - O endurecimento (austenitização seguida de resfriamento) transforma a microestrutura em martensita. Como o molibdênio aumenta a temperabilidade efetiva, 100CrMo7 alcança maior endurecimento (maior dureza do núcleo) para uma determinada seção e severidade de resfriamento do que 100Cr6. - O revenido reduz a resistência martensítica enquanto melhora a tenacidade. O molibdênio em 100CrMo7 aumenta a resistência ao revenido, o que significa que à mesma temperatura de revenido, 100CrMo7 reterá uma resistência/dureza um pouco maior do que 100Cr6, sofrendo menos amolecimento em temperaturas de revenido elevadas. - O processamento termo-mecânico (laminação controlada e resfriamento acelerado) pode refinar ainda mais os carbonetos e a martensita em ambas as ligas; a liga contendo Mo se beneficia mais em seções grossas devido à melhor temperabilidade do núcleo.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico (meta de dureza) e do tamanho da seção. A tabela a seguir mostra faixas de propriedades representativas para condições de endurecimento e revenido típicas para aplicações de rolamentos.
| Propriedade | 100Cr6 (típico, revenido/endurecido) | 100CrMo7 (típico, revenido/endurecido) |
|---|---|---|
| Resistência à Tração (MPa) | ~1000 – 2200 (dependendo da dureza) | ~1100 – 2300 |
| Resistência ao Esforço (MPa) | Nem sempre especificada para aços para rolamentos; aproximada inferior à tração | Um pouco mais alta em dureza equivalente devido ao Mo |
| Alongamento (%) | 5 – 15 (diminui com o aumento da dureza) | 5 – 15 (faixas semelhantes) |
| Tenacidade ao Impacto (Charpy, J) | Menor em durezas muito altas; moderada em condições revenidas | Tipicamente tenacidade modestamente maior em dureza de núcleo semelhante em seções maiores devido ao melhor endurecimento |
| Dureza (HRC) | Tipicamente 58 – 66 HRC para pistas/balas de rolamento | Tipicamente 58 – 66 HRC; mais fácil de alcançar dureza do núcleo em seções maiores |
Interpretação: - A resistência e a dureza alcançáveis são comparáveis quando ambas estão totalmente endurecidas; no entanto, 100CrMo7 frequentemente atinge dureza do núcleo equivalente ou ligeiramente superior em peças maiores devido ao aumento da temperabilidade. - A tenacidade em uma determinada dureza de superfície pode ser melhor para 100CrMo7 em seções mais grossas, pois o núcleo é menos provável de ser macio e dúctil do que em 100Cr6 quando o resfriamento é menos severo. - A ductilidade é limitada em ambas as ligas devido ao alto carbono; os projetistas devem evitar o sobre-dimensionamento de seções finas esperando modos de falha dúctil.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é limitada para ambas as ligas devido ao teor de carbono próximo a 1% e à significativa temperabilidade; pré-aquecimento e tratamento térmico pós-solda (PWHT) são comumente necessários.
Fórmulas úteis de equivalente de carbono: - Equivalente de carbono do Instituto Internacional de Soldagem: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ - Fórmula Pcm de Dearden e O'Neill: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Ambas as ligas produzem altos valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ devido ao alto carbono e à liga; isso indica alto risco de trincas sem controle cuidadoso. - 100CrMo7 tipicamente pontua ligeiramente mais alto em termos de temperabilidade devido ao molibdênio; isso pode se traduzir em maior suscetibilidade a trincas a frio nas zonas afetadas pelo calor da solda se os mesmos procedimentos de soldagem forem usados. Assim, 100CrMo7 geralmente requer pré-aquecimento mais conservador e resfriamento mais lento ou PWHT obrigatório em comparação com 100Cr6. - Para reparos ou fabricados soldados, considere designs alternativos (fixação mecânica, brasagem) ou procedimentos de soldagem especializados realizados por soldadores qualificados com revenido pós-solda.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
Nem 100Cr6 nem 100CrMo7 são aços inoxidáveis; seu teor de cromo (≈1–1,6%) é insuficiente para conferir comportamento inoxidável. As estratégias de proteção contra corrosão usadas na indústria incluem: - Revestimentos de superfície: eletrodeposição (zinco, níquel), deposição física de vapor para ferramentas, revestimentos de conversão. - Galvanização (para peças onde a geometria permite e o revestimento de Zn é aceitável). - Pintura e lubrificação com óleo/graxa para rolamentos e eixos. - Para contato com ambientes agressivos, a nitruração ou endurecimento superficial mais revestimentos sacrificial podem estender a vida útil.
O PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis. Se a resistência à corrosão for um fator primário de design, mude para graus de rolamento inoxidáveis (então avalie usando, por exemplo, $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ) em vez de tentar confiar em 100Cr6 ou 100CrMo7.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: Na condição recozida (macia), ambas as ligas são usinadas de forma semelhante; o alto teor de carbono e a população de carbonetos reduzem a maquinabilidade em relação aos aços de baixo carbono. Ferramentas (inserções de carboneto, montagens rígidas, velocidades de corte adequadas) e trocas frequentes de ferramentas são comuns para peças endurecidas.
- Formabilidade: A conformação a frio é limitada quando o aço está em um estado totalmente recozido, mas ainda rico em carbono; a conformação a quente ou forjamento é típica antes do tratamento térmico final. Dobragem e estampagem não são recomendadas na condição endurecida.
- Acabamento: Retificação e superacabamento são padrão para superfícies de rolamento. A estabilidade dos carbonetos em 100CrMo7 pode aumentar ligeiramente o desgaste da ferramenta durante a retificação em comparação com 100Cr6, mas os benefícios são percebidos na vida útil.
8. Aplicações Típicas
| 100Cr6 (aplicações típicas) | 100CrMo7 (aplicações típicas) |
|---|---|
| Rolamentos de elementos rolantes (esferas, rolos, pistas) para aplicações industriais gerais | Rolamentos e componentes de rolamento para seções maiores ou onde dureza de núcleo mais profunda é necessária |
| Eixos, eixos de fuso e componentes de precisão onde dureza de superfície e resistência ao desgaste são primordiais | Eixos de maior resistência, rolos grandes e componentes que requerem melhor endurecimento e resistência ao revenido |
| Engrenagens e inserções de ferramentas em tamanhos pequenos a médios (com tratamento térmico apropriado) | Peças expostas a temperaturas operacionais mais altas ou cargas cíclicas onde a resistência ao amolecimento é benéfica |
| Pinos e buchas de alto desgaste em ambientes controlados | Componentes onde seções mais grossas devem alcançar dureza uniforme sem severidade extrema de resfriamento |
Racional de seleção: - Escolha 100Cr6 onde peças pequenas a médias com condições de resfriamento bem controladas alcançarão as propriedades de superfície e núcleo necessárias de forma econômica. - Escolha 100CrMo7 onde a geometria da peça ou as demandas de serviço exigem maior endurecimento, melhor resistência ao revenido ou tenacidade ligeiramente melhor em seções maiores.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 100CrMo7 é tipicamente mais caro por quilograma do que 100Cr6 devido ao teor de molibdênio. A diferença é modesta para compras em pequenos lotes, mas pode ser significativa para produção em alta volume.
- Disponibilidade: 100Cr6 (AISI 52100) é um dos aços para rolamentos mais amplamente disponíveis no mundo, fornecido em barras, anéis e esferas acabadas. 100CrMo7 está amplamente disponível, mas pode ser menos ubíquo em alguns mercados e formas de produto; certos tamanhos de barra e forjados especiais podem ter prazos de entrega.
- Formas de produto: Ambos estão disponíveis como barras, anéis e forjados; fornecedores especializados fornecem variantes de alta limpeza e desgasificadas a vácuo para rolamentos críticos à fadiga.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Atributo | 100Cr6 | 100CrMo7 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Moderada a ruim; alto pré-aquecimento/PWHT necessário | Um pouco pior; maior temperabilidade aumenta o risco de trincas |
| Resistência–Tenacidade na seção | Alta dureza de superfície; dureza do núcleo dependente do resfriamento | Dureza de superfície comparável; melhor endurecimento e resistência ao revenido |
| Custo | Mais baixo | Mais alto (devido ao Mo) |
Recomendações finais: - Escolha 100Cr6 se você precisar de um aço para rolamentos bem estabelecido e econômico para componentes pequenos a médios onde práticas de resfriamento padrão produzem de forma confiável a dureza de superfície e núcleo necessárias. É o cavalo de batalha da indústria para muitas aplicações de elementos rolantes. - Escolha 100CrMo7 se seus componentes forem mais grossos ou maiores, exigirem dureza de núcleo mais uniforme ou operarem em temperaturas e condições de revenido onde a resistência ao revenido melhorada e a retenção de resistência ligeiramente maior são vantajosas — e quando o modesto aumento no custo do material e o controle mais rigoroso do tratamento térmico/soldagem forem aceitáveis.
Nota final: A seleção exata deve ser validada em relação à geometria da peça, cargas de serviço esperadas, vida útil de fadiga requerida e capacidades disponíveis de tratamento térmico e acabamento. Para peças críticas, solicite relatórios de testes químicos e mecânicos certificados dos fornecedores e considere testes de fadiga em amostras representativas.