20Cr vs 20CrMnTi – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
20Cr e 20CrMnTi são dois aços carburizados amplamente utilizados em transmissão de potência e componentes de máquinas. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação comumente enfrentam a escolha entre o mais simples 20Cr e o microaleado 20CrMnTi ao especificar engrenagens, eixos, estrias e outras peças endurecidas por case. Os contextos típicos de decisão incluem equilibrar custo contra resistência do núcleo e resistência à fadiga, selecionar uma classe para maior endurecibilidade ou melhor controle de grão, e escolher um aço que atenda às restrições de tratamento térmico e soldagem.
A principal distinção técnica é que 20CrMnTi inclui manganês e titânio adicionais (e outros ajustes de microaleação) para melhorar a endurecibilidade, o refino de grão e a estabilidade do case carburizado. Essas diferenças tornam o 20CrMnTi favorável onde um endurecimento mais profundo do case, propriedades do núcleo melhoradas e melhor resistência à fragilização por revenido são necessárias, enquanto o 20Cr continua sendo uma escolha econômica para peças carburizadas de carga moderada.
1. Normas e Designações
- Referências nacionais e internacionais comuns onde essas classes aparecem ou têm equivalentes:
- GB (China): 20Cr, 20CrMnTi (designações amplamente utilizadas nas normas chinesas)
- JIS (Japão): aços carburizantes com química semelhante (por exemplo, equivalentes da série SC)
- EN (Europa): comparável a alguns aços carburizantes da série 15–20Cr (mas verifique os números exatos da EN)
- ASTM/ASME: aços carburizantes cobertos sob especificações gerais para aços de liga para têmpera e revenido; designações diretas AISI/ASTM podem não existir, portanto, a referência cruzada é necessária
- Classificação: ambos são aços carburizantes de liga (não inoxidáveis, não aços para ferramentas, não HSLA). Eles são projetados para endurecimento por case para fornecer uma superfície dura e resistente ao desgaste e um núcleo dúctil mais resistente.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela abaixo mostra faixas de composição típicas (wt%) usadas nas descrições da indústria. As faixas exatas variam por norma e produtor—use certificados de usina para compras.
| Elemento | 20Cr (wt% típico) | 20CrMnTi (wt% típico) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.17–0.24 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.90–1.30 | 0.90–1.30 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.10 | ≤0.10 |
| V | —/traço | —/traço |
| Nb | —/traço | —/traço |
| Ti | —/traço (tipicamente nenhum) | 0.02–0.08 |
| B | — | — |
| N | traço | traço |
Como a estratégia de liga afeta as propriedades: - Carbono: definido baixo a médio para permitir a carburização (baixo carbono no núcleo para tenacidade) enquanto permite uma superfície de alto carbono após a carburização para dureza. - Cromo: melhora a endurecibilidade e a resistência ao revenido do case carburizado e ajuda na resistência ao desgaste. - Manganês: aumenta a endurecibilidade e a resistência à tração; maior Mn em 20CrMnTi aumenta a profundidade de endurecimento e a resistência do núcleo. - Titânio: microaleação com Ti refina o tamanho do grão, fixa o nitrogênio, estabiliza carbonetos/nitrretos e pode melhorar a resistência à fadiga e a tenacidade após o tratamento térmico. - Silício: auxilia na desoxidação e pode fortalecer ligeiramente o ferrito. - Baixo P, S: para melhorar a tenacidade e a resistência à fadiga.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Como carburizado (antes da têmpera final): um núcleo ferrítico/pearlítico de baixo carbono com um case austenítico enriquecido (maior carbono) em ambas as classes. - Após têmpera & revenido (rota típica de carburização): um case martensítico ou bainítico endurecido com bolsões de austenita retida perto da superfície extrema; um núcleo martensítico ou ferrítico–pearlítico de baixo carbono temperado.
Como as rotas de tratamento térmico afetam cada classe: - Normalização: ambas as classes respondem à normalização com microestruturas ferríticas–pearlíticas refinadas e uniformes; o conteúdo de Ti do 20CrMnTi melhora o refino do grão na normalização. - Carburização + têmpera + revenido (rota padrão): ambas são projetadas para essa rota. O 20Cr produzirá um case adequado e um núcleo dúctil para engrenagens de carga padrão. O 20CrMnTi, devido ao maior Mn e Ti, alcança uma endurecibilidade mais profunda e geralmente um núcleo mais resistente após o revenido; também mantém um tamanho de grão de austenita anterior mais fino, o que melhora a resistência à fadiga. - Têmpera & revenido sem carburização: não é típico para esses aços de baixo carbono porque seu carbono base é baixo; o benefício da microaleação é menos aproveitado. - Processamento termo-mecânico: o 20CrMnTi microaleado se beneficia da laminação controlada para refinar ainda mais o grão e melhorar a tenacidade; o 20Cr ganha menos com os efeitos da microaleação.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem fortemente do cronograma específico de tratamento térmico (profundidade do case, severidade da têmpera, temperatura do revenido). A tabela abaixo compara as classes qualitativamente sob condições típicas de carburização e têmpera/revenido.
| Propriedade | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| Resistência à tração (pós HT) | Moderada (resistência da superfície dominada pelo case) | Maior (melhor resistência do núcleo e endurecimento total) |
| Resistência ao escoamento (núcleo) | Moderada | Maior (melhor endurecibilidade do núcleo) |
| Alongamento (ductilidade, núcleo) | Melhor ductilidade em tratamento térmico moderado típico | Ductilidade ligeiramente reduzida se altamente endurecido, mas melhor tenacidade retida devido ao refino do grão |
| Tenacidade ao impacto (núcleo) | Boa a moderada | Tenacidade melhorada para resistência comparável, devido ao refino do grão de Ti |
| Dureza (case superficial) | Alta alcançável (após carburização) | Dureza superficial semelhante alcançável; tende a manter melhor a integridade do case sob carga |
Explicação: - O 20CrMnTi comumente alcança maiores resistências à tração e ao escoamento do núcleo após a mesma carburização e têmpera porque o maior Mn aumenta a endurecibilidade e o Ti refina o tamanho do grão. O resultado é uma melhor capacidade de carga e desempenho à fadiga para peças de alta demanda. - A dureza superficial alcançável pelo endurecimento por case é comparável para ambos quando ciclos de carburização idênticos são usados, porque o carbono superficial determina a dureza do martensita. Diferenças surgem na integridade do case, estabilidade da austenita retida e resistência ao revenido.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende principalmente do equivalente de carbono e da endurecibilidade. Dois índices comuns:
Exibir fórmula para o equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Exibir fórmula para Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - 20Cr: CE moderado; pré-aquecimento razoável e resfriamento controlado podem evitar trincas a frio. A prática típica é evitar soldagem em condição altamente carburizada ou realizar tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) quando necessário. - 20CrMnTi: risco de soldabilidade ligeiramente maior devido ao maior Mn (aumenta $CE_{IIW}$) e elementos de microaleação como Ti que afetam a microestrutura local e o potencial de endurecimento na zona afetada pelo calor. $P_{cm}$ sinaliza o Ti como um contribuinte para o risco de soldabilidade. Na prática, a soldagem de ambas as classes requer pré-aquecimento, baixas temperaturas entre passes e materiais de enchimento apropriados; a soldagem de superfícies carburizadas é geralmente evitada quando a função depende das propriedades do case. - Nota prática: Reparos em superfícies carburizadas devem seguir procedimentos rigorosos (desgastar o case endurecido, pré-aquecer localmente, usar metal de solda compatível, PWHT), e os projetistas frequentemente especificam juntas parafusadas ou forjadas onde a soldagem comprometeria o desempenho.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto o 20Cr quanto o 20CrMnTi são aços de liga não inoxidáveis; eles não oferecem resistência à corrosão inerente para ambientes agressivos.
- Estratégias comuns de proteção: pintura, lubrificação, fosfatização, óxido negro e galvanização (imersão a quente ou eletrogalvanização) onde apropriado. Para peças carburizadas com carga pesada, a galvanização é frequentemente evitada em superfícies de contato devido ao potencial de fratura do revestimento e riscos de fragilização por hidrogênio se não forem devidamente controlados.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis; para referência: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Mas isso se aplica apenas a ligas inoxidáveis—não use para seleção de 20Cr/20CrMnTi.
- Margem de corrosão: onde a corrosão é uma preocupação, selecione tratamentos de superfície compatíveis com a dureza do case e os requisitos de fadiga (por exemplo, sistemas duplex, revestimentos cerâmicos finos aplicados antes da moagem final apenas com processos validados).
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: ambas as classes são relativamente usináveis na condição normalizada ou recozida. O 20CrMnTi pode ser ligeiramente mais difícil de usinar devido ao maior Mn e à presença de carbonetos/nitrretos de Ti; as diferenças são modestas na prática.
- Usinagem dura: após a carburização e têmpera, ambas as classes requerem técnicas de moagem ou usinagem dura para finalizar o case. Superfícies endurecidas por case devem ser moídas para dimensões finais; usinagem dura com ferramentas apropriadas é possível na produção.
- Formabilidade e dobra: na condição de baixo carbono base (pré-carburização), ambas se formam de maneira semelhante. A formação pós-carburização não é recomendada.
- Distorsão por tratamento térmico: a maior endurecibilidade do 20CrMnTi pode aumentar o risco de distorção induzida pela têmpera se não for controlada; o design da geometria e do dispositivo, a seleção do meio de têmpera e a prática de revenido são importantes.
8. Aplicações Típicas
| 20Cr (usos comuns) | 20CrMnTi (usos comuns) |
|---|---|
| Engrenagens de carga moderada, pinhões, estrias | Engrenagens de carga pesada, grandes pinhões e eixos de transmissão de alta carga |
| Eixos e eixos para máquinas gerais | Componentes que requerem endurecimento mais profundo do case e maior resistência do núcleo (eixos de caixa de vento, engrenagens de veículos pesados) |
| Coronas, eixos de comando em serviço mais leve | Peças expostas a carregamentos dinâmicos e fadiga onde o refino do grão é benéfico |
| Fixadores e mangas carburizados gerais | Componentes carburizados de alta fadiga e partes críticas de segurança do trem de força |
Racional de seleção: - Escolha 20Cr quando a sensibilidade ao custo for significativa e os ciclos de carga forem moderados—dureza de case adequada com um núcleo dúctil a um custo de material mais baixo. - Escolha 20CrMnTi quando maior endurecibilidade, melhor resistência do núcleo, vida útil de fadiga melhorada e microestrutura refinada forem necessárias, apesar do custo de material mais alto e potencialmente mais rigoroso controle de tratamento térmico.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 20Cr é tipicamente a opção mais econômica porque contém menos adições de liga e controle de fusão/processamento mais simples. O 20CrMnTi tem um preço premium devido ao adicional de Mn e Ti microaleados e controle de processamento mais rigoroso.
- Disponibilidade: Ambas as classes são comumente produzidas por usinas de aço que fornecem forjados, barras e chapas em regiões com fabricação de máquinas pesadas. O 20Cr tende a estar mais amplamente disponível em estoque padrão de barras e forjados; o 20CrMnTi pode exigir pedido de usinas ou distribuidores que fornecem aços carburizantes microaleados.
- Formas de produto: ambos estão disponíveis como barras, forjados e chapas usinadas. Especifique certificados de usina e condições de tratamento térmico para garantir rastreabilidade.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Atributo | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Moderada (melhor que aços altamente ligados) | Ligeiramente inferior (maior CE e conteúdo de microaleação) |
| Equilíbrio Força–Tenacidade | Adequado para carga padrão | Melhor resistência do núcleo e tenacidade para dureza de case semelhante |
| Custo | Mais baixo | Mais alto |
Recomendação: - Escolha 20Cr se: - A aplicação requer um aço carburizante padrão para cargas moderadas e demandas de fadiga. - Custo e ampla disponibilidade são prioridades. - Os requisitos de profundidade do case são rasos a moderados e o tratamento térmico convencional é suficiente. - Escolha 20CrMnTi se: - A peça requer maior endurecibilidade, maior resistência do núcleo ou resistência à fadiga superior. - O refino do grão e a resistência ao revenido melhorada são importantes (por exemplo, peças de fadiga de alta ciclagem). - Você aceita um custo de material ligeiramente mais alto por melhor desempenho e pode controlar o tratamento térmico (têmpera, revenido) com precisão.
Nota final: Sempre especifique a profundidade do case carburizado, dureza superficial, dureza/tenacidade do núcleo e qualquer tratamento térmico pós-soldagem ou proteção de superfície nas compras e desenhos. Confirme os certificados de usina e os registros de tratamento térmico para cada lote: o desempenho prático depende principalmente da química exata entregue e do rigor da rota de processamento, em vez do nome da classe nominal sozinho.