20CrMo vs 30CrMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam um compromisso entre resistência, tenacidade, custo e fabricabilidade ao selecionar aços liga para componentes mecânicos críticos. 20CrMo e 30CrMo são dois aços liga de cromo-molibdênio que são frequentemente comparados para engrenagens, eixos e peças estruturais onde a resistência à fadiga e a capacidade de endurecimento total ou superficial são importantes.
A principal distinção entre essas classes reside em seu teor nominal de carbono e na ênfase de design resultante: uma classe é formulada com menor teor de carbono para melhorar a ductilidade e a tenacidade e melhor soldabilidade; a outra tem maior teor de carbono para maior resistência após o resfriamento e maior dureza alcançável após o tratamento térmico. Como os teores de cromo e molibdênio são semelhantes, os projetistas geralmente escolhem entre eles com base no equilíbrio resistência/tenacidade necessário e nas restrições de processamento a montante.
1. Normas e Designações
- Normas e designações internacionais e regionais comuns onde esses nomes aparecem:
- GB/T (China): 20CrMo, 30CrMo (frequentemente usados em especificações nacionais)
- EN (Europa): equivalentes geralmente expressos como números da série EN 10083 ou 1.xxxx; nomes diretos podem diferir
- JIS (Japão): aços liga semelhantes existem, mas sob códigos diferentes
- ASTM/ASME: aços liga cobertos sob a série AISI/SAE (por exemplo, família AISI 4135/4140) apresentam químicas semelhantes, mas nomenclatura diferente
- Classificação: Tanto 20CrMo quanto 30CrMo são aços liga (aços de baixo liga, Cr–Mo). Eles não são aços inoxidáveis, aços para ferramentas ou HSLA no sentido mais estrito; são frequentemente usados como aços liga de engenharia para peças tratadas por resfriamento e têmpera ou endurecidas por case.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir apresenta tendências composicionais típicas para ambas as classes. Os intervalos reais variam por norma e produtor; sempre consulte os certificados de fábrica para compras e cálculos de design.
| Elemento | Típico 20CrMo (wt%) | Típico 30CrMo (wt%) | Papel / Comentário |
|---|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.27–0.34 | O carbono controla principalmente a capacidade de endurecimento, resistência e capacidade de dureza. 30CrMo tem maior C para maior dureza após o resfriamento. |
| Mn | 0.35–0.70 | 0.40–0.70 | O manganês melhora a capacidade de endurecimento e a resistência à tração. |
| Si | ≤0.35 | ≤0.35 | Silício para desoxidação; pequenas quantidades fortalecem a ferrita e afetam a têmpera. |
| P | ≤0.025 (máx) | ≤0.025 (máx) | O fósforo é uma impureza residual—mantido baixo para evitar fragilização. |
| S | ≤0.025 (máx) | ≤0.025 (máx) | O enxofre é controlado para usinabilidade; mantido baixo para evitar fragilidade a quente. |
| Cr | 0.80–1.20 | 0.90–1.30 | O cromo aumenta a capacidade de endurecimento, resistência e resistência ao desgaste. |
| Ni | ≤0.30 (frequentemente nulo) | ≤0.30 (frequentemente nulo) | O níquel raramente é significativo nessas classes. |
| Mo | 0.15–0.30 | 0.15–0.30 | O molibdênio aumenta a capacidade de endurecimento e a resistência a altas temperaturas. |
| V | traço–pequeno | traço–pequeno | O vanádio pode estar presente em pequenas quantidades em algumas fusões para refino de grão. |
| Nb, Ti, B | traço (se microaleado) | traço (se microaleado) | Microaleação raramente em 20/30CrMo padrão, mas pode ser usada para controle do tamanho do grão. |
| N | traço | traço | O nitrogênio como residual; afeta a tenacidade em pequenas quantidades. |
Como a liga afeta o desempenho: - Carbono: alavanca principal para resistência e dureza alcançável; maior teor de carbono permite maior dureza após o resfriamento, mas reduz a soldabilidade e a ductilidade. - Cromo e molibdênio: ambos aumentam a capacidade de endurecimento (profundidade/extensão da transformação martensítica ao resfriar), resistência à têmpera e resistência a altas temperaturas. - Manganês e silício: auxiliam na capacidade de endurecimento e resistência; o silício também auxilia em tratamentos de superfície de cementação. - Elementos de microaleação em traço refinam o tamanho do grão de austenita anterior e podem melhorar a tenacidade sem um grande aumento na resistência.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas e respostas a processos térmicos comuns:
- Como-laminado/normatizado:
- 20CrMo: matriz de ferrita–pearlita com bainita temperada possível dependendo do resfriamento; grãos mais finos após a normalização melhoram a tenacidade.
- 30CrMo: maior fração de perlita e distribuição de carbonetos mais fina; o controle do tamanho do grão na normalização é crítico para alcançar boa tenacidade.
- Resfriamento e têmpera:
- Ambas as classes formam martensita ao resfriar a partir de temperaturas de austenitização; a têmpera converte martensita em martensita temperada/bainita temperada, determinando o equilíbrio final resistência–tenacidade.
- 30CrMo alcança maior dureza e resistência à tração em temperaturas de têmpera comparáveis devido ao maior teor de carbono; no entanto, pode ser mais propenso à fragilidade de têmpera se a têmpera não for otimizada.
- Cementação superficial (quando a dureza superficial é necessária):
- Ambos podem ser usados como aços de núcleo sob um case cementado. 20CrMo, com menor carbono no núcleo, resulta em um núcleo mais resistente e mais dúctil em comparação com 30CrMo se usados de forma semelhante.
- Processamento termo-mecânico:
- Laminação controlada e resfriamento acelerado podem produzir microestruturas bainíticas ou martensíticas refinadas com tenacidade melhorada; adições de microaleação, se presentes, ajudam no refino do grão.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico. A tabela abaixo apresenta intervalos típicos generalizados para condições de resfriamento e têmpera usadas no design de engenharia; verifique com relatórios de fábrica testados.
| Propriedade | Típico 20CrMo (Q&T) | Típico 30CrMo (Q&T) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~700–950 | ~800–1100 | 30CrMo tende a produzir maior resistência final para têmpera semelhante. |
| Resistência ao escoamento (MPa) | ~450–700 | ~500–850 | Maior teor de carbono contribui para maior escoamento após Q&T em 30CrMo. |
| Alongamento (%) | ~10–18% | ~8–15% | 20CrMo geralmente oferece maior ductilidade. |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V-notch) | Boa a muito boa (depende do tratamento térmico e da temperatura do entalhe) | Boa, mas geralmente inferior a 20CrMo em níveis de resistência iguais | A tenacidade depende do tamanho do grão, têmpera e limpeza. |
| Dureza (HRC ou HB) | Moderada a alta após Q&T; dureza do núcleo controlada para peças de case | Maior dureza alcançável; mais sensível a trincas de resfriamento | Compromissos de dureza influenciam a usinabilidade e a resistência ao desgaste. |
Explicação: - 30CrMo é mais forte na maioria das condições comparáveis de resfriamento e têmpera porque seu maior teor de carbono aumenta a fração de martensita e dureza. - 20CrMo é tipicamente mais resistente e mais dúctil para níveis de resistência comparáveis e é mais fácil de alcançar boa tenacidade com tratamento térmico conservador.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é governada em grande parte pelo equivalente de carbono e pela capacidade de endurecimento devido ao conteúdo de liga.
Fórmulas comuns de equivalente de carbono usadas para avaliação qualitativa: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ e um parâmetro mais conservador: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação (qualitativa): - Como 30CrMo tem maior teor de carbono, seus valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ serão geralmente mais altos do que os de 20CrMo, indicando maior risco de zonas afetadas pelo calor duras e quebradiças e trincas a frio. Pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas são mais frequentemente necessárias para 30CrMo. - O cromo e o molibdênio aumentam a capacidade de endurecimento igualmente para ambas as classes, portanto, os procedimentos de soldagem devem abordar a liga que promove a formação de martensita. - 20CrMo, com menor teor de carbono, é tipicamente mais fácil de soldar, mas ainda se beneficia de tratamento térmico de pré-aquecimento/pós-soldagem (PWHT) quando usado em aplicações críticas de alta resistência.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- Nenhum dos dois, 20CrMo ou 30CrMo, são classes inoxidáveis; a resistência à corrosão é limitada e comparável a outros aços de baixo liga.
- Estratégias de proteção típicas:
- Revestimentos de superfície: galvanização a quente, sistemas pintados, revestimento em pó ou revestimentos especializados resistentes à corrosão.
- Revestimento: para componentes onde proteção contra desgaste e corrosão leve são necessárias.
- Considerações de design: drenagem, evitação de fendas e ânodos sacrificiais em ambientes marinhos ou agressivos.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) é apenas significativo para classes inoxidáveis e não é aplicável a esses aços liga Cr–Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice não deve ser usado para aços não inoxidáveis como 20CrMo/30CrMo.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- 20CrMo (menor C) geralmente é mais fácil de usinar e com maior vida útil da ferramenta do que 30CrMo; no entanto, ambos são mais difíceis de usinar do que aços de carbono simples de RU comparável devido à liga.
- Níveis mais altos de dureza (como resfriados ou não totalmente temperados) reduzem a usinabilidade e aumentam o desgaste da ferramenta.
- Formabilidade:
- A conformação a frio é mais fácil com 20CrMo devido ao menor carbono e maior ductilidade; 30CrMo é menos tolerante e pode exigir forças de conformação mais altas ou conformação a quente.
- Acabamento superficial:
- Ambos respondem bem à moagem, polimento e tratamentos de superfície após a têmpera apropriada; a cementação seguida de têmpera a baixa temperatura é comum para superfícies de engrenagens.
- Nota chave de fabricação: para montagens soldadas ou tratadas termicamente, o controle da temperatura de interpassagem, pré-aquecimento e PWHT são essenciais para minimizar trincas e alcançar a tenacidade desejada.
8. Aplicações Típicas
| 20CrMo — Usos Comuns | 30CrMo — Usos Comuns |
|---|---|
| Eixos fortemente carregados, forjados onde um núcleo resistente é necessário | Eixos de alta resistência, engrenagens e componentes que requerem maior dureza após o resfriamento |
| Componentes endurecidos por case com núcleos resistentes (por exemplo, pinhões, engrenagens menores) | Fixadores de alta resistência, engrenagens resfriadas onde a resistência do núcleo é enfatizada |
| Blocos estruturais e componentes que requerem boa soldabilidade e tenacidade | Componentes sujeitos a cargas estáticas mais altas ou onde maior resistência à têmpera é necessária |
| Peças mecânicas gerais onde usinabilidade e ductilidade são importantes | Peças que exigem maior resistência ao desgaste ou maiores tensões de operação |
Racional de seleção: - Escolha 20CrMo quando tenacidade, ductilidade, soldabilidade e propriedades pós-soldagem forem prioridades, ou quando um núcleo dúctil sob um case cementado for necessário. - Escolha 30CrMo quando uma maior resistência ou maior dureza após o resfriamento for necessária e quando o design e a fabricação puderem acomodar controles de soldagem e tratamento térmico mais rigorosos.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo da matéria-prima: Ambas as classes são semelhantes em elementos de liga (Cr, Mo), portanto, as diferenças de custo do aço bruto são modestas; 30CrMo pode ser ligeiramente mais caro por tonelada devido ao impacto do maior teor de carbono nas demandas de tratamento térmico a montante e potenciais controles de processamento mais rigorosos.
- Custos de tratamento térmico e processamento: 30CrMo frequentemente incorre em custos de processo mais altos devido a pré-aquecimento/PWHT mais rigorosos e maior suscetibilidade a trincas de resfriamento se não forem gerenciados, e às vezes ciclos de têmpera mais longos.
- Disponibilidade por forma de produto: Ambos estão amplamente disponíveis em formas de barra, forjados, chapas e anéis de fornecedores principais; os prazos de entrega dependem do tratamento térmico e certificação necessários.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | 20CrMo | 30CrMo |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (menor CE) | Inferior (maior CE) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Mais dúctil / mais resistente em resistência equivalente | Maior resistência e dureza alcançáveis, menor ductilidade |
| Custo (material + processamento) | Moderado | Levemente mais alto no geral devido ao processamento |
Recomendação: - Escolha 20CrMo se precisar de uma liga equilibrada com melhor soldabilidade, maior tenacidade do núcleo, fabricação mais fácil e margem mais segura contra trincas relacionadas ao resfriamento—típico para componentes que requerem núcleos dúcteis, procedimentos de soldagem mais simples ou melhor resistência à fadiga em níveis de resistência moderados. - Escolha 30CrMo se a aplicação exigir maior resistência e dureza após o resfriamento (por razões de desgaste ou carga), e você puder especificar procedimentos de soldagem controlados, pré-aquecimento/PWHT adequados e controle rigoroso do tratamento térmico para mitigar trincas e perda de ten