20CrMnTi vs 20CrNiMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Escolher entre 20CrMnTi e 20CrNiMo é um dilema comum para engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura que especificam aços de cementação para engrenagens, eixos e componentes de máquinas altamente carregados. As trocas típicas de seleção incluem custo versus dureza total, soldabilidade versus tenacidade do núcleo, e usinabilidade versus vida útil sob desgaste e fadiga.

A distinção fundamental entre essas duas ligas é sua estratégia de liga: uma depende de microligação e equilíbrio otimizado de manganês/cromo para suportar a cementação e controle de tenacidade, enquanto a outra adiciona níquel e molibdênio para aumentar a endurecibilidade e melhorar a resistência do núcleo e a resistência à fadiga. Como ambos são usados como aços de cementação, eles são comumente comparados quando os projetistas precisam de um equilíbrio entre uma superfície resistente ao desgaste e um núcleo dúctil e resistente.

1. Normas e Designações

• Normas comuns a serem verificadas ao especificar qualquer uma das ligas: normas nacionais e internacionais como GB/T (China), EN/ISO, JIS (Japão) e listas de materiais da indústria regidas pela ASTM/ASME onde equivalentes são necessários.
• Classificação:
• 20CrMnTi — aço de liga para cementação (grau de cementação microligado).
• 20CrNiMo — aço de liga para cementação com níquel e molibdênio (grau de cementação com maior endurecibilidade).
• Nota: Limites químicos exatos e tolerâncias devem ser confirmados em relação à norma específica ou ficha técnica do moinho utilizada na compra; nomes como “20CrMnTi” e “20CrNiMo” são designações comerciais comuns no estilo GB e podem ter equivalentes locais em EN ou JIS.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Como a liga afeta o desempenho - O titânio em 20CrMnTi liga nitrogênio e carbono (TiN/TiC), refina o tamanho do grão de austenita anterior e pode melhorar a vida útil à fadiga e a estabilidade dimensional do caso. É especialmente útil no controle do crescimento do grão durante o tratamento térmico. - O níquel e o molibdênio em 20CrNiMo aumentam a endurecibilidade, permitem uma cementação mais profunda para um dado resfriamento e melhoram a resistência e tenacidade do núcleo após o revenido. O Mo também aumenta a resistência ao revenido e ajuda a manter a dureza em temperaturas elevadas. - O cromo em ambas as ligas auxilia na obtenção de um caso duro e resistente ao desgaste após a cementação e resfriamento.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

A rota de processamento típica para ambas as ligas é a cementação (gás, pacote ou vácuo), seguida de resfriamento e revenido para produzir um caso martensítico ou bainítico duro com um núcleo mais resistente e temperado.

Comportamento da microestrutura: - Caso: Após a cementação e resfriamento, ambas as ligas desenvolvem um caso martensítico de alto carbono (frequentemente revenido para dureza desejada). O cromo e a concentração de carbono na superfície controlam a dureza do caso e a resistência ao desgaste. - Núcleo: 20CrNiMo, com Ni e Mo, alcança maior endurecibilidade e, portanto, um núcleo mais resistente e de maior tenacidade sob condições de resfriamento semelhantes. 20CrMnTi frequentemente resulta em um núcleo ligeiramente mais macio e mais dúctil, que é vantajoso onde a tenacidade ao impacto e a interrupção de trincas de fadiga são priorizadas. - Papel do Ti: O titânio em 20CrMnTi forma carbonetos finos que fixam os limites de grão e reduzem o crescimento do grão de austenita durante o processamento em alta temperatura. Isso refina o tamanho do pacote de martensita temperada e pode melhorar a resistência à fadiga e a resistência à fragilização por revenido.

Influências do tratamento térmico: - Normalização: Usada para homogeneizar e refinar a estrutura do grão de austenita anterior antes das operações de cementação e forjamento. Ambas as ligas se beneficiam da normalização antes dos ciclos finais de cementação. - Cementar + Resfriar + Revenir: Rota industrial primária. 20CrNiMo pode alcançar profundidades de caso efetivas mais profundas com o mesmo cronograma de cementação, graças à maior endurecibilidade; 20CrMnTi é otimizado para casos finos a médios, estáveis e resistentes ao desgaste com um núcleo dúctil. - Processamento termo-mecânico: Deformação, laminação controlada ou forjamento seguidos de tratamentos térmicos adequados melhoram ainda mais a tenacidade e a vida útil à fadiga—estruturas martensíticas/bainíticas e dispersão de carbonetos podem ser ajustadas pelo controle do processo.

4. Propriedades Mecânicas

Interpretação - 20CrNiMo geralmente apresenta maior resistência do núcleo e tenacidade comparável ou ligeiramente melhorada quando tratado termicamente, devido ao níquel e molibdênio melhorando o comportamento de revenido e a endurecibilidade. - 20CrMnTi enfatiza a estabilidade do caso, resistência à fadiga e um núcleo dúctil; o controle do titânio sobre o tamanho do grão auxilia na vida útil à fadiga sob tensões de contato cíclicas. - As propriedades absolutas dependem da profundidade de cementação, severidade do resfriamento e temperatura de revenido—especifique esses parâmetros de processo para atender ao desempenho do componente exigido, em vez de confiar apenas no nome da liga.

5. Soldabilidade

A soldabilidade dos aços de cementação é influenciada pelo equivalente de carbono e pela presença de elementos de liga que aumentam a endurecibilidade. Dois índices empíricos comumente usados são:

• Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (fórmula de Ito e modificada): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - 20CrMnTi: Carbono moderado e microligação de Ti produzem um equivalente de carbono moderado. O Ti pode formar precipitados estáveis; titânio excessivo ou tratamento térmico inadequado podem causar dureza localizada ou sensibilidade da HAZ. Pré-aquecimento e controle de temperatura entre passes, combinados com metal de adição apropriado e PWHT para seções grossas, são precauções padrão. - 20CrNiMo: Ni e Mo adicionais aumentam a endurecibilidade e elevam os índices de equivalente de carbono em relação a aços de cementação mais simples. Isso aumenta o risco de endurecimento da HAZ da solda e trincas a frio, a menos que pré-aquecimento adequado, controle entre passes e tratamento térmico pós-solda sejam utilizados. Use consumíveis de baixo hidrogênio e combine o metal de adição com a tenacidade requerida.

Recomendação geral: Para ambos os aços, a soldagem deve ser idealmente realizada em material normalizado/annealed, com pré-aquecimento e PWHT determinados pela espessura e valores calculados de $CE_{IIW}$/$P_{cm}$, e consultando as especificações do moinho e do procedimento de soldagem.

6. Corrosão e Proteção da Superfície

• Ambos 20CrMnTi e 20CrNiMo são aços de liga não inoxidáveis. A resistência à corrosão em ambientes atmosféricos ou levemente agressivos é limitada e geralmente gerenciada por revestimentos e design:
• Opções de proteção da superfície: galvanização a quente (limitada para uso em alta temperatura), eletrodeposição, fosfato + tinta, revestimento em pó, revestimentos de conversão ou sobreposições resistentes ao desgaste em aplicações de deslizamento.
• Nota: Processos pós-cementação e acabamento da superfície afetam a adesão do revestimento e a resistência à corrosão—práticas de limpeza, neutralização e alívio de tensões são importantes.
• PREN (número equivalente de resistência à picotagem) se aplica a aços inoxidáveis e não é aplicável a esses aços de cementação não inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Use design e revestimentos protetores se os componentes forem expostos a meios corrosivos; para desgaste e corrosão combinados, considere engenharia de superfície (cromo duro, nitretação, revestimentos PVD/CVD ou ligas resistentes à corrosão para zonas sacrificiais).

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade:
• No estado recozido ou normalizado, 20CrMnTi é geralmente mais fácil de usinar do que 20CrNiMo, pois o conteúdo de Ni/Mo deste último tende a endurecer e reduzir a usinabilidade.
• Ambos os graus devem ser usinados para a folga antes da cementação sempre que possível; a moagem ou lapidação final após o tratamento térmico alcança acabamento dimensional e de superfície.
• Formabilidade:
• Ambos os graus podem ser moldados (dobragem, laminação) em condição macia ou normalizada. Após a cementação e resfriamento, a formabilidade é essencialmente perdida; usinagem e acabamento devem ser concluídos anteriormente.
• Acabamento de superfície:
• A moagem e polimento pós-cementação são necessários para tolerâncias apertadas e flancos de dentes de engrenagem. Precipitados de carboneto (por exemplo, TiC) em 20CrMnTi podem afetar modestamente o desgaste abrasivo de ferramentas de corte.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 20CrMnTi quando você prioriza resistência à fadiga, metalurgia controlada do caso e menor custo de liga para componentes carburizados típicos. - Escolha 20CrNiMo quando você precisa de maior endurecibilidade para casos mais profundos ou maior resistência/tenacidade do núcleo, especialmente para seções transversais grandes ou componentes expostos a cargas sustentadas altas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: 20CrNiMo é geralmente mais caro do que 20CrMnTi devido ao conteúdo de níquel e molibdênio. A diferença de preço depende dos preços de metais no mercado e do volume do pedido.
• Disponibilidade: Ambas as ligas são comercialmente comuns em formas de barra, forjamento e anel de usinas siderúrgicas que produzem aços de cementação; o fornecimento regional pode variar. 20CrMnTi é frequentemente uma oferta padrão em muitas usinas, enquanto 20CrNiMo pode ser produzido sob encomenda ou como um grau padrão de alta dureza em regiões que atendem à indústria pesada.

10. Resumo e Recomendação

Escolha 20CrMnTi se: - Você precisa de um grau de cementação econômico com boa resistência à fadiga e um núcleo dúctil para componentes como engrenagens, pinhões e eixos de tamanho médio. - A usinabilidade na condição macia e a microestrutura do caso refinada e estável são prioridades.

Escolha 20CrNiMo se: - Você requer maior endurecibilidade para alcançar maior profundidade efetiva do caso ou maior resistência do núcleo em componentes de grande seção transversal ou em transmissões de alta carga. - A aplicação exige maior resistência ao revenido e tenacidade superior do núcleo, mesmo a um custo adicional de material.

Nota final: Ambas as ligas apresentam desempenho confiável quando combinadas com um cronograma de cementação apropriado, severidade do resfriamento e regime de revenido. Especifique a profundidade do caso necessária, os alvos de dureza/tenacidade do núcleo e as cargas de serviço esperadas para permitir que metalurgistas ou fornecedores de aço recomendem a liga precisa e o ciclo de tratamento térmico que atendam aos objetivos de desempenho e custo da peça.