20Cr vs 30Cr – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
20Cr e 30Cr são dois aços de baixa liga comumente especificados usados para componentes carburizados ou tratados por têmpera em transmissão de potência, engrenagens, eixos e partes estruturais onde um equilíbrio entre resistência ao desgaste superficial e tenacidade do núcleo é necessário. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente escolhem entre eles ao enfrentar trade-offs entre resistência, tenacidade, endurecibilidade, custo e usinabilidade. Os contextos típicos de decisão incluem a especificação de um material para um conjunto de engrenagens onde a dureza superficial e a ductilidade do núcleo são importantes, ou para um eixo que deve resistir tanto à torção quanto a choques ocasionais.
A principal diferença entre os dois graus é que o 30Cr é ligado para alcançar maior resistência à tração e endurecibilidade do que o 20Cr—isso é conseguido principalmente através de aumentos modestos em carbono e cromo (e às vezes outros elementos de microligação que fortalecem). Por causa disso, o 30Cr geralmente fornece maior resistência e endurecibilidade à custa de uma ligeira redução na soldabilidade e usinabilidade em comparação com o 20Cr. Esses contrastes tornam o par uma comparação útil ao selecionar aços para componentes mecânicos de carga moderada a alta.
1. Normas e Designações
- Normas comuns e sua nomenclatura:
- GB/T (China): 20Cr, 30Cr (frequentemente especificados para componentes carburizados e tratados por têmpera)
- JIS (Japão): graus semelhantes existem sob códigos diferentes (por exemplo, SCM, SN), mas podem não ser equivalentes diretos um a um
- EN / ISO: famílias equivalentes estariam nas séries 16MnCr, 20MnCr ou 20CrMn (verifique os números de peça exatos)
- ASTM/ASME: nenhum número ASTM diretamente nomeado “20Cr” ou “30Cr”; equivalentes são escolhidos por correspondência de propriedades químicas e mecânicas
- Classificação: tanto 20Cr quanto 30Cr são aços de baixa liga (usados como aços estruturais carburizados ou de média liga), não inoxidáveis, aços para ferramentas ou HSLA no sentido restrito. Eles são tipicamente especificados para componentes que requerem endurecimento superficial (carburização) ou tratamento de têmpera em massa.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir mostra faixas de composição nominal típicas (wt%) usadas na prática industrial comum. As composições reais dependem da norma escolhida ou da especificação do moinho—use o certificado do moinho para compras.
| Elemento | 20Cr (faixa típica, wt%) | 30Cr (faixa típica, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.16 – 0.24 | 0.24 – 0.32 |
| Mn | 0.40 – 0.80 | 0.50 – 0.90 |
| 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 | 0.80 – 1.30 |
| Ni | ≤ 0.30 (traço) | ≤ 0.30 (traço) |
| Mo | ≤ 0.10 – 0.20 (se especificado) | ≤ 0.10 – 0.30 (se especificado) |
| V | traço ou ≤ 0.05 (se microaleado) | traço ou ≤ 0.05 (se microaleado) |
| Nb, Ti, B | traço (ocasionalmente usado em variantes microaleadas) | traço (ocasionalmente usado) |
| N | traço | traço |
Notas: - A tabela fornece faixas típicas; a compra deve referenciar a norma exata ou o certificado do material. - O 30Cr comumente tem maior teor de carbono e ligeiramente mais cromo e manganês em comparação com o 20Cr. Microligação adicional (V, Nb, Ti) pode estar presente em algumas variantes para melhorar a resistência e o refinamento do grão. - O aumento da liga (Cr, Mn e ocasional microligação) eleva a endurecibilidade e a resistência ao tratamento térmico e, juntamente com o carbono, controla os níveis de resistência alcançáveis.
Como a liga afeta as propriedades: - O carbono aumenta a resistência e a endurecibilidade, mas reduz a ductilidade e a soldabilidade. - O cromo aumenta a endurecibilidade, resistência e resistência ao tratamento térmico e pode melhorar a resistência ao desgaste após o endurecimento superficial. - O manganês contribui para a endurecibilidade e resistência à tração. - Elementos de microligação (V, Nb, Ti) refinam o tamanho do grão, aumentam a resistência ao escoamento por meio de precipitação e melhoram a resistência à fadiga.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas e respostas ao tratamento térmico diferem devido ao nível de carbono e liga:
- 20Cr:
- Como laminado/normatizado: microestrutura de ferrita–pearlita com grãos relativamente finos se laminados ou normalizados de forma controlada.
- Após carburização e têmpera: um caso martensítico/carburizado duro com um núcleo mais tenaz e de menor teor de carbono (martensita temperada ou bainita temperada dependendo do ciclo de têmpera/temperagem).
-
Têmpera & temperagem (em massa): pode produzir martensita temperada com resistência moderada e boa tenacidade quando adequadamente temperada.
-
30Cr:
- Como laminado/normatizado: maior proporção de perlita e microestruturas transformadas mais finas do que 20Cr para resfriamento comparável devido à maior endurecibilidade.
- Após carburização/têmpera idêntica: caso endurecível mais profundo e maior resistência do caso/núcleo devido ao maior teor de carbono e Cr; o núcleo pode se transformar em martensita mais prontamente do que 20Cr, a menos que o resfriamento seja lento.
- Têmpera & temperagem (em massa): alcança níveis de resistência mais altos a temperaturas de temperagem semelhantes, mas requer temperagem cuidadosa para manter a tenacidade aceitável.
Considerações sobre tratamento térmico: - A carburização é amplamente utilizada com ambos os graus; o 20Cr é frequentemente especificado onde um caso duro relativamente raso com núcleo tenaz é necessário. O 30Cr é selecionado onde um caso mais profundo ou maior resistência do núcleo é necessário sem aumentar o tamanho da seção. - A normalização antes do tratamento térmico final melhora a uniformidade. O meio de têmpera e o tamanho da seção da peça afetam a dureza final, especialmente para o 20Cr, que tem menor endurecibilidade. - A temperagem reduz a dureza e melhora a tenacidade; o 30Cr requer regimes de temperagem ajustados para evitar fragilidade excessiva devido ao maior teor de carbono.
4. Propriedades Mecânicas
As faixas típicas de propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico e do tamanho da seção. A tabela abaixo fornece faixas representativas para barras tratadas por têmpera ou peças carburizadas e temperadas; use dados de teste certificados para o design.
| Propriedade | 20Cr (faixa típica) | 30Cr (faixa típica) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 600 – 950 | 700 – 1100 |
| Resistência ao escoamento (0.2% proof, MPa) | 350 – 700 | 450 – 850 |
| Alongamento (%) | 12 – 20 | 8 – 16 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V-notch, J) | moderada a boa (varia com a temperagem) | geralmente inferior ao 20Cr na mesma dureza |
| Dureza (HRC ou HB) | núcleo temperado: HRC ~20–40; caso carburizado: HRC 55–62 | núcleo temperado: HRC ~22–44; caso carburizado: HRC 58–64 |
Interpretação: - O 30Cr é tipicamente mais alto em resistência e endurecibilidade devido ao aumento do carbono e Cr; pode alcançar maiores resistências à tração e ao escoamento, mas a ductilidade e a tenacidade ao impacto em uma dureza dada podem ser um pouco inferiores ao 20Cr. - O 20Cr frequentemente oferece um melhor equilíbrio entre tenacidade e soldabilidade para aplicações onde a resistência máxima absoluta não é necessária. - Sempre consulte os certificados de material do fornecedor e realize testes em nível de componente para aplicações críticas (fadiga, impacto a baixa temperatura).
5. Soldabilidade
Os principais fatores que influenciam a soldabilidade são o teor de carbono, a liga efetiva, a espessura e os tratamentos térmicos pré e pós-solda. Dois índices empíricos comumente usados são o equivalente de carbono IIW e a fórmula Pcm:
-
Uso do equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (mais conservador para suscetibilidade a trincas na solda): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - O 20Cr, com menor teor de carbono e ligeiramente menor teor de liga, terá um $CE_{IIW}$ e um $P_{cm}$ mais baixos, e, portanto, um melhor comportamento como soldado. Os requisitos de pré-aquecimento e tratamento térmico pós-solda (PWHT) são menores do que para o 30Cr. - O 30Cr, com maior teor de carbono e cromo, aumenta a endurecibilidade e o risco de formação de martensita na zona afetada pelo calor (HAZ); frequentemente requer maior pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e, em muitos casos, PWHT para evitar trincas e restaurar a tenacidade. - Para ambos os graus, superfícies carburizadas não devem ser soldadas sem procedimentos especiais; a soldagem pode alterar o carbono local e produzir zonas frágeis. Se a soldagem for necessária, siga procedimentos qualificados e realize verificações de tenacidade na HAZ.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- Nenhum dos dois, 20Cr ou 30Cr, é aço inoxidável; ambos são considerados aços carbono/ligados e têm resistência à corrosão intrínseca limitada.
- Estratégias de proteção típicas:
- Revestimentos superficiais: galvanização, eletrodeposição ou revestimentos de conversão podem ser usados dependendo do ambiente.
- Pinturas e revestimentos industriais: sistemas de epóxi, poliuretano para proteção atmosférica.
- Superfícies endurecidas: após a carburização, revestimentos de acabamento adicionais são às vezes aplicados para proteção contra corrosão, reconhecendo que os revestimentos devem tolerar a dureza superficial.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) é aplicável a graus inoxidáveis e não é relevante para 20Cr/30Cr em suas formas padrão: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ O uso de PREN não é significativo para esses aços não inoxidáveis.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- O 20Cr geralmente é mais fácil de usinar devido ao menor teor de carbono e ligeiramente menor endurecibilidade.
- O 30Cr pode ser mais abrasivo nas ferramentas após o tratamento térmico e requer velocidades de corte mais lentas ou ferramentas mais duras ao usinar seções endurecidas.
- Formabilidade e trabalho a frio:
- Ambos os graus são trabalháveis em condições de recozimento ou normalização. O maior teor de carbono no 30Cr reduz a formabilidade; a conformação deve ser feita em estados de tratamento térmico mais suaves.
- Desgaste e acabamento:
- Casos carburizados e endurecidos requerem ferramentas de diamante ou CBN para moagem eficiente. O acabamento superficial para alcançar a vida útil de fadiga de contato requerida é mais desafiador em casos mais profundos e mais duros (comum com 30Cr).
- Distorsão do tratamento térmico:
- Maior endurecibilidade e tensões retidas no 30Cr podem aumentar a sensibilidade à distorção durante a têmpera e temperagem em comparação com o 20Cr; controle de processo e fixação são importantes.
8. Aplicações Típicas
| 20Cr – Usos Típicos | 30Cr – Usos Típicos |
|---|---|
| Engrenagens de carga moderada, eixos, eixos com estrias, pinhões onde boa tenacidade do núcleo é requerida e o controle de custo é importante | Engrenagens de carga mais pesada, eixos de maior diâmetro, pinos e eixos de alta carga onde maior resistência do núcleo e endurecimento mais profundo são necessários |
| Componentes de transmissão automotiva com cargas médias | Eixos principais de caixa de câmbio e componentes de acionamento de máquinas pesadas que requerem maior resistência à fadiga |
| Peças carburizadas de uso geral onde usinabilidade e soldabilidade são considerações | Aplicações onde a maior endurecibilidade permite simplificação do design (seções mais grossas, menos liga em outros lugares) |
Racional de seleção: - Escolha 20Cr para componentes onde tenacidade, usinagem/soldagem mais fáceis e menor custo de material são prioridades, e onde o tamanho da seção é pequeno a moderado. - Escolha 30Cr quando o design exigir maior resistência à tração, endurecimento mais profundo ou maior resistência à fadiga em seções transversais maiores.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo:
- O 30Cr é tipicamente precificado um pouco mais alto que o 20Cr devido ao maior teor de liga e potencialmente controles de processo mais rigorosos necessários para alcançar maior resistência.
- O delta de preço depende dos custos de elementos de liga no mercado e do volume do pedido.
- Disponibilidade:
- Ambos os graus são amplamente produzidos em muitos mercados de aço (barras, forjados, chapas), mas a disponibilidade de tamanhos específicos, condições de superfície (recozido, normalizado, pré-endurecido) ou variantes microaleadas pode variar por região e moinho.
- Dica de compra: especifique a condição de tratamento térmico necessária e relatórios de teste de moinho certificados; para componentes críticos, solicite certificados de teste mecânico e análise química.
10. Resumo e Recomendação
| Aspecto | 20Cr | 30Cr |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (menor CE, controle de pré-aquecimento mais fácil) | Inferior (maior CE, precisa de mais pré-aquecimento/PWHT) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Boa tenacidade a resistência moderada | Maior resistência, ductilidade/tenacidade um pouco reduzida a igual dureza |
| Custo | Menor (geralmente) | Maior (geralmente) |
Conclusão e orientação prática: - Escolha 20Cr se: - Você precisa de um aço carburizado ou tratado por têmpera equilibrado e econômico com boa tenacidade do núcleo, usinagem mais fácil e soldabilidade mais tolerante; ideal para seções pequenas a médias e aplicações onde resistência extrema não é necessária. - Escolha 30Cr se: - Seu design exigir maior resistência à tração ou endurecimento mais profundo (para peças maiores ou com carga pesada), e você puder aceitar a necessidade de práticas de soldagem mais cuidadosas, controle de tratamento térmico mais rigoroso e custo de material ligeiramente mais alto.
Nota final: os termos 20Cr e 30Cr são abreviações convenientes. Sempre verifique o material escolhido em relação à norma específica ou certificado do moinho para composição química exata e propriedades mecânicas garantidas, e qualifique os procedimentos de tratamento térmico e soldagem para componentes críticos.