20Cr vs 20CrMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

20Cr e 20CrMo são dois aços carburantes de baixa liga amplamente utilizados em componentes de transmissão, automotivos e de máquinas em geral. Engenheiros e especialistas em compras comumente os avaliam para peças que requerem uma superfície resistente ao desgaste combinada com um núcleo dúctil e resistente à fadiga (por exemplo, engrenagens, eixos e pinhões). O dilema da seleção geralmente gira em torno do custo e da disponibilidade versus a necessidade de maior endurecimento e resistência do núcleo em componentes maiores ou de maior carga.

A principal distinção metalúrgica é a adição controlada de molibdênio no 20CrMo, que aumenta a endurecibilidade e a resistência ao amolecimento por têmpera em comparação com a família 20Cr livre de Mo. Como ambas as ligas são projetadas como aços carburantes, elas são frequentemente comparadas ao especificar componentes com tratamento de superfície, onde as propriedades mecânicas do núcleo, a resposta ao tratamento térmico e a soldabilidade diferem de maneiras significativas.

1. Normas e Designações

Normas comuns e famílias de designação onde esses aços aparecem incluem: - GB/T (China): 20Cr, 20CrMo (aços de liga carburantes) - JIS (Japão): existem graus carburantes semelhantes (por exemplo, famílias SNCM/SCM para aços com Mo) - EN (Europa): equivalentes aproximados estão nas famílias 16MnCr5 / 18CrNiMo7 (nota: correspondências diretas são raras) - ASTM/ASME: não há nomes diretos exatos; referências cruzadas geralmente são feitas por correspondência de composição química e requisitos de propriedades Classificação: ambos são aços de liga destinados a aplicações de carburização (endurecimento superficial) — não são inoxidáveis, aços para ferramentas ou HSLA no sentido moderno.

Sempre confirme a norma e a especificação exatas mencionadas em pedidos de compra, pois as janelas de composição e os níveis de impurezas permitidos variam conforme a norma.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Composições típicas (intervalos aproximados em % de peso; consulte a norma controladora ou o Certificado de Análise do fornecedor para limites exatos):

Elemento	20Cr típico (wt%)	20CrMo típico (wt%)
C	0.17 – 0.24	0.17 – 0.24
Mn	0.25 – 0.65	0.30 – 0.65
Si	0.10 – 0.35	0.10 – 0.35
P	≤ 0.035 (máx)	≤ 0.035 (máx)
S	≤ 0.035 (máx)	≤ 0.035 (máx)
Cr	0.50 – 1.10	0.30 – 0.70
Ni	≤ 0.40 (se presente)	≤ 0.40 (se presente)
Mo	≤ 0.08 (geralmente mínimo)	0.15 – 0.30
V	≤ 0.08 (traço)	≤ 0.08 (traço)
Nb	≤ 0.02 (traço)	≤ 0.02 (traço)
Ti	≤ 0.02 (traço)	≤ 0.02 (traço)
B	≤ 0.001 (traço)	≤ 0.001 (traço)
N	tipicamente baixo (ppm)	tipicamente baixo (ppm)

Resumo da estratégia de liga: - O carbono é mantido moderado para permitir uma carburização eficaz (um baixo C em massa para aceitar um perfil de carbono superficial enriquecido). - O cromo fornece endurecibilidade e alguma resistência ao amolecimento e contribui para a resistência ao desgaste e ao arranhamento na superfície. - O molibdênio no 20CrMo é a adição intencional: pequenas quantidades aumentam substancialmente a endurecibilidade profunda, atrasam a temperatura de início da martensita e melhoram a resistência ao amolecimento e ao superaquecimento em seções pesadas ou espessas. - Elementos de microliga (V, Nb, Ti) se presentes em quantidades de traço podem refinar o tamanho do grão e ajudar na tenacidade, mas não são endurecedores primários nessas ligas.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Como laminado ou normalizado: predominantemente ferrita + perlita (perlita fina desejável). - Após carburização + resfriamento: a superfície forma martensita de alto carbono (frequentemente com austenita retida dependendo da carburização e do resfriamento); o núcleo se transforma em martensita temperada ou bainita dependendo da endurecibilidade e da taxa de resfriamento. - Após têmpera: a superfície é martensita temperada com carbonetos; o núcleo é martensita/bainita temperada proporcionando tenacidade.

Como as rotas de tratamento térmico as afetam: - A normalização refina o tamanho do grão e homogeneiza a microestrutura; ambas as ligas respondem de maneira semelhante. - Carburizar + resfriar + temperar: o processo é o principal caso de uso. A dureza da superfície depende do carbono da superfície e da severidade do resfriamento; a tenacidade do núcleo depende da endurecibilidade da liga. - Resfriar e temperar (sem carburização): usado para alguns componentes pequenos; o 20CrMo alcança maior resistência do núcleo para a mesma têmpera devido à endurecibilidade e resistência ao amolecimento induzidas pelo Mo. - Processamento termo-mecânico: o refino do grão e a laminação controlada podem melhorar a tenacidade para ambas as ligas; o efeito do Mo permanece para suportar um endurecimento mais profundo em grandes seções.

Como o molibdênio aumenta a endurecibilidade e retarda o amolecimento durante a têmpera, o 20CrMo produz um núcleo mais resistente e tenaz após tratamento térmico idêntico em seções mais espessas em comparação com o 20Cr.

4. Propriedades Mecânicas

Intervalos típicos de propriedades (após processos comuns de carburização + resfriamento e têmpera; aproximados):

Propriedade	20Cr (típico)	20CrMo (típico)
Resistência à tração (núcleo), MPa	700 – 950	750 – 1000
Resistência ao escoamento (núcleo), MPa	450 – 700	500 – 800
Alongamento (A5, núcleo), %	10 – 18	8 – 16
Tenacidade ao impacto (Charpy V, núcleo), J	30 – 70	30 – 80
Dureza da superfície (HRC, superfície)	58 – 62 (depende da profundidade da superfície)	58 – 62 (depende da profundidade da superfície)

Interpretação: - A dureza da superfície alcançada pela carburização é semelhante para ambas as ligas porque o carbono superficial controla a dureza da superfície. - O 20CrMo geralmente alcança maior resistência do núcleo e melhor resistência ao amolecimento (menor redução da resistência durante a têmpera) — especialmente importante para seções transversais maiores. Isso torna o 20CrMo preferível onde maior endurecibilidade e melhores propriedades do núcleo são necessárias. - A ductilidade e a tenacidade trocam com a resistência; os detalhes dependem fortemente do tratamento térmico e do tamanho da seção.

Nota: Os valores acima são intervalos representativos; sempre verifique os requisitos de propriedades mecânicas em relação à norma específica ou ao certificado de teste.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é governada pelo equivalente de carbono em massa, elementos de liga e espessura da seção. Dois índices preditivos comumente usados são:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

e

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Tanto o 20Cr quanto o 20CrMo têm carbono moderado e ligações de baixo a moderado; os valores calculados de $CE$ e $P_{cm}$ estão tipicamente em uma faixa que requer pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas para seções mais espessas. - A presença de Mo no 20CrMo aumenta a endurecibilidade e, portanto, aumenta o risco de trincas a frio na zona afetada pelo calor (HAZ) em relação ao 20Cr. Assim, o 20CrMo geralmente requer procedimentos de soldagem mais conservadores (pré-aquecimento mais alto, têmpera pós-soldagem em seções espessas). - Para seções finas com o procedimento adequado, ambos são soldáveis com metais de adição apropriados e controle de processo. Para peças críticas, um tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) é frequentemente recomendado.

Sempre calcule o $CE$ ou $P_{cm}$ relevante para a química do fornecedor e siga as especificações do procedimento de soldagem (WPS) de acordo.

6. Corrosão e Proteção da Superfície

Nem 20Cr nem 20CrMo são inoxidáveis; a resistência à corrosão é semelhante e limitada. Métodos típicos de proteção: - Acabamentos de superfície: pintura, revestimento em pó ou revestimentos de conversão. - Galvanização: possível dependendo da geometria do componente e das tolerâncias dimensionais. - Inibidores de corrosão ou lubrificantes para superfícies de contato.

Índices de inoxidabilidade, como PREN, não são aplicáveis a esses aços de liga não inoxidáveis. Se a resistência à corrosão for um requisito primário, selecione uma liga inoxidável ou resistente à corrosão em vez de confiar apenas em revestimentos.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: Ambas as ligas na condição como laminadas oferecem maquinabilidade justa típica de aços de baixa liga; a maquinabilidade piora após o tratamento térmico e a carburização.
• Formabilidade: Operações de conformação são realizadas na condição de baixo carbono, pré-carburizada para ambas as ligas. O 20CrMo pode apresentar um comportamento de formabilidade ligeiramente diferente se a microliga ou a maior endurecibilidade alterar a tensão de fluxo, mas as diferenças práticas são pequenas.
• Desbaste e acabamento: Peças acabadas (carburizadas + desbastadas) são comparáveis; seções do núcleo de 20CrMo podem ser mais difíceis de desbastar se temperadas para níveis de resistência mais altos.

Para fabricação em alta volume, considere os efeitos subsequentes da adição de molibdênio no desgaste das ferramentas e nos tempos de ciclo de desbaste.

8. Aplicações Típicas

20Cr (usos típicos)	20CrMo (usos típicos)
Engrenagens pequenas a médias, pinhões e estrias (seções finas)	Engrenagens fortemente carregadas, grandes pinhões e eixos (seções grossas)
Eixos, eixos para cargas moderadas	Eixos de manivela automotivos, engrenagens de transmissão de alta resistência
Pequenos sprockets, fixadores que requerem um caso carburizado	Fixadores de alta tensão, parafusos e componentes que requerem maior resistência do núcleo
Peças de equipamentos agrícolas	Peças expostas a cargas cíclicas com seções transversais maiores

Racional de seleção: - Escolha 20Cr quando o custo de fabricação e o desempenho carburizado padrão forem suficientes para componentes de seções finas a médias. - Escolha 20CrMo quando maior endurecibilidade, melhor resistência ao amolecimento e maior resistência do núcleo forem necessárias — particularmente para engrenagens maiores e componentes sujeitos a fadiga ou carga de choque pesada.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O 20CrMo é geralmente mais caro que o 20Cr devido à adição de molibdênio e ao controle de fusão/análise ligeiramente mais complexo.
• Disponibilidade: Ambos são comuns em mercados que utilizam normas GB/JIS; a disponibilidade por forma de produto (barra, chapa, forjamento, anel) depende das usinas regionais. Forjados de seções transversais maiores em 20CrMo podem ter prazos de entrega ou quantidades mínimas de pedido.
• Dica de aquisição: Especifique limites químicos exatos e requisitos de tratamento térmico; solicite relatórios de teste de usina (MTRs) e confirme os prazos de entrega para ligas com Mo.

10. Resumo e Recomendação

Aspecto	20Cr	20CrMo
Soldabilidade	Melhor (menor risco de endurecimento)	Moderada — requer pré-aquecimento/PWHT mais cuidadoso
Equilíbrio Resistência–Tenacidade (núcleo após tratamento)	Bom para seções finas/normais	Superior para seções mais grossas/carregadas
Custo	Menor	Maior

Escolha 20Cr se: - Você precisa de um aço carburante econômico para seções pequenas a médias onde a profundidade de caso convencional e a tenacidade do núcleo são adequadas. - Procedimentos de soldagem ou tratamento térmico mais simples são preferidos e os tamanhos das seções são moderados.

Escolha 20CrMo se: - Os componentes têm seções transversais grandes, requisitos de caso profundo ou demandas muito altas de resistência/tenacidade do núcleo. - O projeto exige melhor resistência ao amolecimento e menor risco de amolecimento em serviço para peças fortemente carregadas, e o projeto pode acomodar um custo de material ligeiramente mais alto e procedimentos de fabricação/soldagem mais controlados.

Nota final: Essas recomendações são gerais. Sempre confirme a norma controladora, a química do fornecedor e o ciclo de tratamento térmico esperado. Para componentes críticos, valide a seleção com testes mecânicos de material representativo e qualificação completa do procedimento de soldagem quando a soldagem for necessária.