20# vs 45# – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente escolhem entre 20# e 45# ao especificar aços carbono simples para eixos, engrenagens, fixadores e peças mecânicas gerais. A decisão geralmente equilibra a fabricabilidade (soldabilidade, conformabilidade e usinagem), o desempenho mecânico requerido (resistência, dureza e tenacidade) e as restrições de custo.
A principal distinção técnica entre os dois graus é o seu teor de carbono e as diferenças resultantes no comportamento mecânico e na resposta ao tratamento térmico. Como 45# contém significativamente mais carbono do que 20#, ele alcança maior resistência e endurecibilidade após o tratamento térmico, mas sacrifica a ductilidade e se torna mais exigente para soldagem e algumas operações de conformação. Essas compensações tornam os dois graus complementares para diferentes classes de aplicação e rotas de processamento.
1. Normas e Designações
- Chinês GB/T: 20# e 45# (designações domésticas comumente usadas).
- JIS: S20C (≈ 20#) e S45C (≈ 45#).
- AISI/ASTM: AISI 1020 (≈ 20#) e AISI 1045 (≈ 45#).
- EN: C20 e C45 (família EN 10083; observe que a especificação detalhada depende da forma do produto e do tratamento térmico).
Classificação: tanto 20# quanto 45# são aços carbono simples (não ligadas/baixo teor de liga), não inoxidáveis, HSLA ou aços para ferramentas. Eles são comumente fornecidos em condições de laminação a quente, normalizados, recozidos ou temperados, dependendo da aplicação.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: Intervalos típicos de composição química (wt%) para 20# e 45#. Os valores são intervalos representativos usados para comparação de especificações; as certificações reais dos fornecedores devem ser consultadas para química precisa.
| Elemento | 20# (wt% típico) | 45# (wt% típico) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.42–0.50 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.03–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ≤ 0.25 (traço) | ≤ 0.30 (traço) |
| Ni | ≤ 0.30 (traço) | ≤ 0.30 (traço) |
| Mo | ≤ 0.08 (traço) | ≤ 0.08 (traço) |
| V | ≤ 0.03 (traço) | ≤ 0.03 (traço) |
| Nb | ≤ 0.03 (traço) | ≤ 0.03 (traço) |
| Ti | ≤ 0.03 (traço) | ≤ 0.03 (traço) |
| B | ≤ 0.001 (raro) | ≤ 0.001 (raro) |
| N | ≤ 0.012 (típico) | ≤ 0.012 (típico) |
Estratégia de liga e efeitos: - O carbono (C) é o principal controle de resistência e endurecibilidade. Um maior teor de C aumenta a dureza e resistência alcançáveis após o resfriamento, mas reduz a ductilidade e soldabilidade. - O manganês (Mn) aumenta a endurecibilidade e a resistência à tração e contrabalança a fragilização por enxofre; 45# geralmente tem maior teor de Mn para melhorar a resistência e a endurecibilidade. - O silício (Si) é um desoxidante e contribui modestamente para a resistência. - Elementos de liga em traço (Cr, Ni, Mo, V) são geralmente mínimos nesses graus, mas, se presentes, aumentam a endurecibilidade, resistência e, às vezes, tenacidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- 20#: Nas condições comuns de laminação a quente ou normalizadas, a microestrutura é predominantemente ferrita + perlita (grossa ou fina dependendo do resfriamento e normalização). O baixo teor de carbono resulta em uma maior fração de ferrita e um conteúdo relativamente baixo de perlita. A normalização/refino reduz o espaçamento da perlita e melhora a uniformidade e resistência modestamente.
- 45#: Nos estados de laminação a quente ou normalizados, a microestrutura é ferrita + perlita com uma maior fração de perlita e espaçamento interdendrítico mais fino em comparação com 20#. Devido ao maior teor de carbono e Mn, 45# tem maior endurecibilidade e pode formar martensita ou bainita quando resfriado, seguido de têmpera para produzir microestruturas temperadas (martensita temperada) com resistência e resistência ao desgaste significativamente maiores.
Efeitos do tratamento térmico: - A normalização (resfriamento ao ar acima de Ac3) refina o grão e produz uma estrutura uniforme de ferrita-perlita; ambos os graus se beneficiam, mas o aumento da resistência é mais pronunciado em 45#. - O resfriamento e a têmpera são comumente aplicados a 45# para alcançar alta resistência e resistência à fadiga. 20# tem endurecibilidade limitada — o resfriamento produzirá baixo teor de martensita e benefício limitado. - O recozimento (recozimento completo) amolece o material para usinagem ou conformação; 20# é facilmente recozido. 45# recozido é usinável, mas ainda terá maior resistência do que 20# normalizado.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: Intervalos típicos de propriedades mecânicas por condição comum (intervalos representativos; valores exatos dependem da forma do produto e do tratamento térmico).
| Propriedade | 20# (recozido/normalizado) | 45# (recozido/normalizado/temperado) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ≈ 350–550 (recozido→normalizado) | ≈ 500–900 (recozido→QT) |
| Limite de escoamento (MPa) | ≈ 200–350 | ≈ 300–700 |
| Alongamento (A%) | ≈ 20–30% | ≈ 10–25% (diminui com a têmpera) |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V) | Moderada—boa à temperatura ambiente quando normalizada | Boa quando devidamente temperada; menor na condição endurecida se não temperada |
| Dureza (HB ou HRC) | ≈ 120–200 HB (recozido→normalizado) | ≈ 150–300 HB (recozido→QT dependendo da têmpera) |
Interpretação: - 45# oferece resistência à tração e dureza alcançáveis substancialmente mais altas após o tratamento térmico apropriado, devido ao maior teor de carbono e endurecibilidade. - 20# é mais dúctil e tolerante na conformação; o alongamento e a tenacidade em 20# são geralmente mais altos para processamento comparável. - A tenacidade ao impacto depende fortemente do processamento — a têmpera adequada após o resfriamento é crítica para 45# para evitar comportamento frágil.
5. Soldabilidade
A soldabilidade dos aços carbono simples é fortemente influenciada pelo teor de carbono e elementos de liga por meio de métricas de equivalente de carbono. Índices comuns:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - 20# (baixo C) geralmente tem um baixo equivalente de carbono, proporcionando boa soldabilidade com baixo pré-aquecimento e risco limitado de trincas por hidrogênio ou formação de martensita dura na zona afetada pelo calor (HAZ). O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) raramente é necessário para espessuras padrão em condições normais. - 45# (maior C e ligeiramente maior Mn) resulta em um maior equivalente de carbono; os procedimentos de soldagem frequentemente requerem pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e consideração de PWHT, especialmente para seções grossas ou juntas restritas. A probabilidade de endurecimento da HAZ e trincas a frio aumenta se os controles de soldagem adequados não forem utilizados.
Prática de soldagem: - Use metais de enchimento compatíveis e pré-aquecimento/PWHT apropriados conforme a orientação de CE/Pcm. - Para montagens soldadas críticas feitas de 45#, considere usar eletrodos de baixo hidrogênio e realizar PWHT para temperar a HAZ e reduzir tensões residuais.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto 20# quanto 45# são aços carbono simples não inoxidáveis e não possuem resistência à corrosão inerente. Métodos típicos de proteção incluem pintura, revestimento em pó, lubrificação, tratamentos de fosfatização e galvanização (galvanização a quente ou eletrogalvanização) dependendo do ambiente e dos requisitos de vida útil.
- PREN (Número Equivalente de Resistência à Fissuração) é usado para ligas inoxidáveis e não se aplica a aços carbono simples. Exemplo de fórmula para avaliação inoxidável:
$$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Para ambientes propensos à corrosão, escolha revestimentos protetores ou considere ligas inoxidáveis ou resistentes à corrosão em vez de 20#/45#.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Conformação e dobra: 20# é mais fácil de conformar a frio e dobrar devido à sua menor resistência e maior ductilidade. 45# requer mais força e pode precisar de recozimento antes de uma conformação extensa.
- Usinabilidade: Ambos os graus usinam bem em condições recozidas. 45# em estado recozido usina de forma previsível e pode produzir melhor acabamento superficial para certas operações de torneamento/desbaste devido ao maior carbono que melhora a formação de cavacos; no entanto, 45# mais duro ou temperado é mais difícil e causa desgaste mais rápido das ferramentas. 20# oferece menor desgaste de ferramenta na usinagem geral.
- Acabamento de superfície: 45# pode ser endurecido e retificado com tolerâncias apertadas (por exemplo, para eixos e superfícies de desgaste) após resfriamento e têmpera. 20# é adequado onde tolerâncias apertadas não estão acopladas a altos requisitos de dureza.
- Trabalho a frio: 20# tolera um maior alongamento a frio ou cabeçote a frio em comparação com 45#, que pode trincar se não recozido.
8. Aplicações Típicas
| 20# – Usos típicos | 45# – Usos típicos |
|---|---|
| Componentes estruturais gerais, fixadores cabeçote a frio, montagens soldadas, eixos de baixa carga, eixos para cargas leves, peças estampadas conformáveis | Eixos, eixos, engrenagens, peças de máquina que requerem resistência temperada, bielas, pinos, componentes de desgaste onde maior dureza e resistência à fadiga são necessárias |
| Estruturas fabricadas, forjados de uso geral onde soldabilidade e conformabilidade são prioridades | Peças tratadas termicamente para transmissão de potência, virabrequins em aplicações leves, pinos de alinhamento endurecidos e assentos de rolamento |
Justificativa da seleção: - Escolha 20# quando soldabilidade, conformabilidade e menor custo forem priorizados e quando os requisitos de resistência forem moderados. - Escolha 45# quando o design exigir maior resistência à tração, dureza ou vida útil à fadiga e quando as peças forem tratadas termicamente para alcançar essas propriedades.
9. Custo e Disponibilidade
- Ambos os graus são aços commodities com ampla disponibilidade em barras, chapas e forjados. 20# geralmente tem o menor custo de matéria-prima devido ao menor teor de carbono e processamento mais simples para muitas aplicações.
- 45# tem um preço ligeiramente mais alto principalmente devido ao maior teor de carbono e uso mais frequente em produtos tratados termicamente e acabados por retificação. O custo total do componente deve levar em conta os tratamentos térmicos e usinagem necessários — peças feitas de 45# frequentemente incorrerão em custo adicional de processamento (resfriamento, têmpera, retificação).
- Os prazos de entrega são geralmente curtos para formas padrão; formas especiais ou tratamentos térmicos específicos podem aumentar o prazo de entrega.
10. Resumo e Recomendação
Tabela: Comparação rápida
| Atributo | 20# | 45# |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Excelente (baixo C, baixo CE) | Moderada a desafiadora (maior C, maior CE) |
| Equilíbrio entre Resistência e Tenacidade | Resistência moderada, maior ductilidade/tenacidade | Maior resistência alcançável, ductilidade reduzida se endurecido |
| Custo | Menor custo de matéria-prima; processamento mais simples | Custo de material ligeiramente mais alto; custo de processamento frequentemente mais alto |
Recomendações finais: - Escolha 20# se: seu design requer boa soldabilidade e conformabilidade, resistência moderada é suficiente, a sensibilidade ao custo é alta, ou os componentes serão unidos por soldagem com pré-aquecimento e PWHT mínimos. - Escolha 45# se: a peça requer maior resistência, dureza ou resistência à fadiga alcançável por resfriamento e têmpera (por exemplo, eixos, engrenagens, pinos), e você pode acomodar controles de soldagem mais rigorosos, pré-aquecimento e possível PWHT ou operações adicionais de usinagem.
Nota final: Sempre verifique os certificados químicos e mecânicos reais dos fornecedores e qualifique os procedimentos de soldagem com base no equivalente de carbono e na geometria da peça. Para componentes críticos, realize testes de tratamento térmico e testes mecânicos representativos da rota de fabricação final para garantir que o grau selecionado atenda aos requisitos funcionais e de ciclo de vida.