20CrMo vs 42CrMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

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Introdução

20CrMo e 42CrMo são dois aços de baixa liga amplamente utilizados em componentes de transmissão de potência, engrenagens, eixos e maquinário pesado. Engenheiros e gerentes de compras frequentemente devem escolher entre os dois ao equilibrar resistência central, dureza superficial, temperabilidade, soldabilidade e custo. Os contextos típicos de decisão incluem se um componente precisa de um revestimento endurecido com um núcleo dúctil (designs de cementação) versus um eixo totalmente endurecido e de maior resistência onde propriedades mecânicas uniformes são necessárias.

A principal distinção operacional é que uma classe é adaptada para estratégias de cementação e endurecimento superficial, produzindo um carbono em massa relativamente mais baixo, mas propriedades de revestimento melhoradas, enquanto a outra contém um carbono em massa mais alto e ligações para produzir maior resistência e tenacidade em toda a espessura após o resfriamento e têmpera. Como ambas as classes são aços de baixa liga com adições de cromo e molibdênio, elas são comumente comparadas para peças rotativas ou carregadas semelhantes, onde o tratamento térmico determina o desempenho final.

1. Normas e Designações

  • 20CrMo
  • Normas comumente referenciadas: designações GB (China) (por exemplo, 20CrMo), equivalentes EN (aços de cementação como 5120/20Cr) e variações JIS. Frequentemente classificado como aço de cementação de baixa liga.
  • Categoria: Aço de baixa liga projetado para cementação (endurecimento de superfície).
  • 42CrMo
  • Normas comumente referenciadas: GB 42CrMo (42CrMo4), EN 1.7225 / 42CrMo4, AISI/SAE 4140 (equivalente próximo), JIS. Classificado como aço de liga de cromo-molibdênio para endurecimento total.
  • Categoria: Aço de baixa liga, resfriado e temperado (aço estrutural/de liga).

Ambos não são aços inoxidáveis; são aços de liga (não HSLA no sentido mais estrito, mas ligados para melhorar a temperabilidade e a resistência).

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Abaixo estão os intervalos típicos de elementos usados como orientação (os intervalos refletem especificações comuns; os limites exatos dependem da norma selecionada e da condição de tratamento térmico).

Elemento 20CrMo típico (wt%) 42CrMo típico (wt%)
C 0.17–0.25 0.38–0.45
Mn 0.35–0.65 0.50–0.90
Si 0.15–0.35 0.15–0.35
P ≤ 0.025 ≤ 0.025
S ≤ 0.035 ≤ 0.035
Cr 0.40–0.70 0.90–1.20
Ni ≤ 0.30 (menor) ≤ 0.30 (menor)
Mo 0.08–0.20 0.15–0.30
V ≤ 0.05 (traço) ≤ 0.05 (traço)
Nb tipicamente traço tipicamente traço
Ti tipicamente traço tipicamente traço
B tipicamente traço tipicamente traço
N tipicamente traço tipicamente traço

Como a liga afeta as propriedades: - Carbono: controle primário sobre resistência e temperabilidade. O carbono em massa mais baixo nos aços de cementação (20CrMo) facilita um núcleo dúctil e um bom gradiente de núcleo/revestimento após a cementação. O carbono mais alto em 42CrMo resulta em maior resistência e dureza após o resfriamento em toda a seção. - Cromo e molibdênio: aumentam a temperabilidade, resistência à têmpera e resistência; ambas as classes usam Cr e Mo, mas 42CrMo geralmente tem mais Cr e Mo para permitir o endurecimento total a níveis de resistência mais altos. - Manganês e silício: contribuem para a resistência e desoxidação. - Elementos de micro-liga (V, Nb, Ti) podem estar presentes em quantidades de traço para controlar o tamanho do grão e melhorar a tenacidade; não são elementos de liga primários nessas classes.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas e respostas típicas: - 20CrMo - Como laminado/normatizado: predominantemente microestrutura de ferrita–pearlita ou microestrutura de grão fino dependendo da normalização. - Após cementação + resfriamento & têmpera: um revestimento martensítico/cementado duro com gradiente de carbono controlado; o núcleo é martensita temperada ou ferrita–pearlita temperada com resistência relativamente mais baixa e maior ductilidade. A cementação torna 20CrMo ideal onde resistência ao desgaste superficial é necessária sem sacrificar a tenacidade do núcleo. - 42CrMo - Como laminado/normatizado: ferrita-pearlita; bom controle do tamanho do grão devido ao Cr e Mo. - Após resfriamento & têmpera: transforma-se em martensita ao resfriar e, após a têmpera, alcança alta resistência e tenacidade em toda a seção transversal. A temperatura de têmpera controla o equilíbrio resistência–tenacidade; temperaturas de têmpera mais altas diminuem a resistência e aumentam a tenacidade. - Processamento termo-mecânico: Ambas as classes respondem ao laminação controlada e resfriamento acelerado para refinar o tamanho do grão e melhorar as propriedades mecânicas; no entanto, o maior teor de carbono e liga de 42CrMo o torna mais responsivo ao fortalecimento via resfriamento & têmpera.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico e do tamanho da seção. A tabela mostra intervalos representativos para condições de tratamento térmico comumente usadas (normalizado, cementado/resfriado-temperado ou resfriado & temperado). Estes são indicativos; especifique as fichas técnicas do fornecedor ou certificados de teste para valores críticos de design.

Propriedade 20CrMo (típico pós-cementação/temperatura do núcleo) 42CrMo (típico resfriado & temperado)
Resistência à Tração (MPa) Núcleo: ~500–800 ~800–1200
Resistência de Escoamento (MPa) Núcleo: ~300–600 ~600–1000
Alongamento (%) Núcleo: moderado a bom (10–18%) Varia com a têmpera (8–16%)
Tenacidade ao Impacto (J, temperatura ambiente) Boa tenacidade do núcleo após a têmpera Boa a muito boa com têmpera apropriada; depende do nível de têmpera
Dureza (HRC ou HB) Dureza do revestimento alta (HRC 55–62), núcleo baixo (HB 170–250) Dureza total alcançável (por exemplo, HRC ~25–55 dependendo da têmpera)

Explicação: - Qual é mais forte? Na condição de endurecimento total, 42CrMo oferece maior resistência à tração e resistência de escoamento devido ao maior teor de carbono e liga. - Qual é mais tenaz/ductil? O menor carbono do núcleo de 20CrMo após a cementação resulta em superior ductilidade e tenacidade do núcleo, enquanto ainda fornece um revestimento resistente ao desgaste. 42CrMo pode ser projetado para um equilíbrio de tenacidade–resistência via têmpera, mas geralmente terá maior resistência e menor ductilidade do que o núcleo de uma peça de 20CrMo cementada quando ambos são otimizados para seus respectivos casos de uso.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade: - O teor de carbono e a temperabilidade são fundamentais. O maior carbono em massa e a liga aumentam o risco de martensita dura e quebradiça na zona afetada pelo calor (HAZ) e, assim, aumentam os requisitos de pré-aquecimento/interpasso e tratamento térmico pós-solda (PWHT). - 20CrMo: o menor carbono em massa melhora a soldabilidade para seções não cementadas, mas se a peça for cementada, a soldagem deve levar em conta a camada cementada (evitar soldar através do revestimento sem os procedimentos adequados). Componentes cementados geralmente requerem atenção pré e pós-solda. - 42CrMo: maior teor de carbono e liga resultam em maior propensão ao endurecimento da HAZ; pré-aquecimento controlado e PWHT são comumente exigidos para soldas estruturais para evitar trincas. - O uso de fórmulas de equivalente de carbono ajuda a avaliar a soldabilidade. Por exemplo: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretação: Valores mais altos de $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ indicam maior temperabilidade e controles de soldagem mais rigorosos. Na prática, 42CrMo geralmente apresentará medidas de equivalente de carbono mais altas do que 20CrMo, implicando em pré-aquecimento e PWHT mais restritivos.

6. Corrosão e Proteção Superficial

  • Nenhum dos dois, 20CrMo ou 42CrMo, é inoxidável; ambos requerem medidas de proteção onde a resistência à corrosão é necessária.
  • Proteções comuns: pintura, revestimento em pó, lubrificação, fosfatização ou galvanização a quente dependendo do ambiente. Para peças com superfícies dimensionais/tratadas termicamente apertadas, revestimentos mecânicos ou acabamentos lubrificantes podem ser preferíveis.
  • Índices inoxidáveis como PREN não são aplicáveis a esses aços carbono/ligados. Para referência sobre aços inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Isso não é relevante para 20CrMo ou 42CrMo porque seus níveis de Cr e Mo e a química da matriz não são projetados para resistência à corrosão por pite.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

  • Maquinabilidade:
  • 20CrMo: maquinabilidade moderada em condição de recozimento ou normalização; o baixo carbono em massa melhora a facilidade de usinagem nas regiões do núcleo. Superfícies cementadas são difíceis de usinar após a têmpera.
  • 42CrMo: maquinabilidade pior do que aços de baixo carbono quando endurecido; na condição normalizada ou recozida, a usinagem é gerenciável, mas vibrações e desgaste da ferramenta são considerações devido ao maior teor de carbono e liga.
  • Formabilidade:
  • 20CrMo (recozido/normatizado): melhor capacidade de conformação a frio e dobra devido ao menor carbono do núcleo. A conformação pós-cementação não é típica.
  • 42CrMo: formabilidade a frio limitada em condições de maior resistência; projetar para conformação no estado recozido/normatizado antes do tratamento térmico final.
  • Acabamento superficial: Ambos respondem bem ao desbaste, jateamento e acabamento superficial. O desbaste de componentes endurecidos requer seleção adequada de ferramentas e controle de refrigerante.

8. Aplicações Típicas

20CrMo (classe de cementação) 42CrMo (classe de endurecimento total)
Engrenagens (engrenagens de transmissão com revestimento cementado) Eixos e eixos que requerem alta resistência à torção
Eixos de engrenagem e pinhões com superfície de desgaste dura Fixadores de alta resistência, eixos de serviço pesado
Buchas ou componentes que requerem superfície resistente ao desgaste e núcleo resistente Virabrequins, componentes de maquinário pesado que necessitam de resistência uniforme
Componentes projetados para o processo de cementação para combinar resistência ao desgaste e tenacidade Partes estruturais onde o endurecimento total e propriedades em massa previsíveis são necessárias

Racional de seleção: - Escolha 20CrMo se o design se beneficiar de uma superfície dura e resistente ao desgaste (revestimento) com um núcleo dúctil e resistente — típico de engrenagens e superfícies de contato altamente carregadas onde o desgaste por contato é crítico. - Escolha 42CrMo se a aplicação exigir maior resistência uniforme em massa e resistência à fadiga em toda a seção transversal e onde o endurecimento total é aceitável ou necessário.

9. Custo e Disponibilidade

  • Custo relativo: 42CrMo geralmente custa mais por tonelada do que aços de carbono simples devido ao maior teor de liga e requisitos de processamento mais rigorosos; 20CrMo pode ter preço semelhante ou ligeiramente inferior dependendo da classe e do mercado, mas pode incorrer em custos de processo adicionais (cementação).
  • Disponibilidade por forma de produto: Ambas as classes estão amplamente disponíveis globalmente em barras, forjados e chapas de aço de usinas e distribuidores especializados. 42CrMo (ou equivalentes como AISI 4140 / 42CrMo4) é uma liga padrão frequentemente estocada; classes de cementação como 20CrMo também são comuns, mas podem ser fornecidas como blanks normalizados ou pré-cementados.
  • Custo total de propriedade: considere o tratamento térmico (custo do ciclo de cementação para 20CrMo), usinagem/desbaste pós-tratamento térmico e qualquer teste não destrutivo adicional ou proteção superficial. Uma classe base aparentemente mais barata pode se tornar mais cara após os passos de cementação e acabamento.

10. Resumo e Recomendação

Critério 20CrMo 42CrMo
Soldabilidade Melhor para soldagem do núcleo; evite soldar através do revestimento cementado sem controles Mais restritivo — pré-aquecimento/PWHT mais altos frequentemente exigidos
Equilíbrio Resistência–Tenacidade Excelente combinação núcleo/revestimento para desgaste + tenacidade Maior resistência em toda a espessura; tenacidade ajustável pela têmpera
Custo Custo base competitivo; custo de processo adicional para cementação Custo de liga mais alto; rota de tratamento térmico mais simples para endurecimento total

Recomendação: - Escolha 20CrMo se você precisar de uma superfície endurecida para resistência ao desgaste enquanto preserva um núcleo dúctil e resistente — típico para engrenagens, pinhões e eixos cementados. - Escolha 42CrMo se você exigir maior resistência em toda a espessura e uma condição previsível de resfriamento e têmpera para eixos, eixos ou componentes estruturais pesadamente carregados onde propriedades uniformes são críticas.

Nota final: Sempre correlacione a seleção de material com a vida útil específica do design, carregamento por fadiga, restrições dimensionais e tratamentos pós-fabricação (cementação, nitretação, resfriamento & têmpera, PWHT). Confirme os limites químicos e mecânicos exatos a partir do certificado da usina ou norma aplicável antes de finalizar as especificações de aquisição ou design.

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