20MnTi vs 20CrMnTi – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros e profissionais de compras frequentemente escolhem entre 20MnTi e 20CrMnTi ao especificar aços de carbono médio para componentes que requerem um equilíbrio entre resistência, tenacidade e resistência ao desgaste. Os contextos típicos de decisão incluem se priorizar a dureza total e a soldabilidade para peças estruturais, ou priorizar a resistência ao caso e a resistência à fadiga de contato para engrenagens e eixos após a têmpera superficial.
A principal distinção entre os dois graus é a estratégia de liga e endurecimento pretendida: 20MnTi é um aço de carbono médio estabilizado por manganês-titânio otimizado para boas propriedades mecânicas e tenacidade, enquanto 20CrMnTi é uma variante contendo cromo formulada para melhorar a capacidade de endurecimento e o desempenho de endurecimento superficial. Como ambos são usados para componentes semelhantes (eixos, engrenagens, pinos), eles são comumente comparados durante a seleção de materiais em termos de custo, rota de tratamento térmico e condições de serviço.
1. Normas e Designações
- Normas comuns onde esses graus aparecem (nomenclatura e química exata variam de acordo com o corpo normativo):
- GB (China): 20MnTi, 20CrMnTi (designações chinesas comuns para aços de liga de carbono médio).
- JIS (Japão), EN (Europa), ASTM/ASME (EUA): Graus equivalentes ou alternativas mais próximas existem sob diferentes nomes; a equivalência direta um-para-um requer verificação das tolerâncias de composição específicas.
- Classificação:
- 20MnTi: Classificado como um aço de liga de carbono médio (não inoxidável, não aço para ferramentas); micro-ligado com Ti para refino/stabilização de grão.
- 20CrMnTi: Classificado como um aço de liga de carbono médio de baixa liga, endurecimento superficial (carbonização) com cromo e micro-ligação (Ti); otimizado para dureza superficial carbonizada e um núcleo tenaz.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: intervalos de composição típicos (wt%). Estes são intervalos indicativos da indústria usados para orientar a especificação e não substituem os limites exatos dados em uma norma ou especificação de compra específica.
| Elemento | 20MnTi (intervalo típico, wt%) | 20CrMnTi (intervalo típico, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.16 – 0.24 | 0.16 – 0.24 |
| Mn | 0.60 – 1.10 | 0.60 – 1.20 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ≤ 0.30 (traço) | 0.60 – 1.20 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| V | traço ≤ 0.10 | traço ≤ 0.10 |
| Nb | traço ≤ 0.03 | traço ≤ 0.03 |
| Ti | 0.02 – 0.06 | 0.02 – 0.06 |
| B | – | – |
| N | não tipicamente especificado | não tipicamente especificado |
Como os elementos de liga influenciam o desempenho: - O carbono controla o potencial de dureza e resistência; ambos os graus são de carbono médio para permitir a dureza total e núcleos temperados fortes ou um endurecimento superficial eficaz. - O manganês aumenta a capacidade de endurecimento e a resistência à tração; os níveis típicos são semelhantes em ambos os graus. - O cromo em 20CrMnTi aumenta a capacidade de endurecimento e melhora a formação de carbonetos durante a carbonização, apoiando uma dureza de caso mais alta e melhor resistência ao desgaste. - O titânio atua como um desoxidante e forma carbonetos que refinam o tamanho do grão e prendem o nitrogênio, melhorando a tenacidade e a resistência à fragilização intergranular. - O silício, molibdênio e pequenas adições de vanádio ou nióbio podem afetar ainda mais a capacidade de endurecimento, resistência ao revenido e controle do tamanho do grão, dependendo da prática do moinho.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas dependem da composição e da rota de tratamento térmico:
- 20MnTi:
- Microestrutura típica após normalização ou têmpera e revenido: martensita temperada/bainita temperada com constituintes de ferrita/pearlita retidos, dependendo da taxa de resfriamento e do tamanho da seção.
- A micro-ligação com Ti refina o tamanho do grão de austenita antes da transformação, melhorando a tenacidade.
-
Responde bem a ciclos de têmpera e revenido diretos; alcança um equilíbrio de resistência e ductilidade sem processos extensivos de endurecimento superficial.
-
20CrMnTi:
- Projetado para carbonização: uma química de núcleo de carbono baixo a médio com Cr para promover a capacidade de endurecimento da camada próxima à superfície após a carbonização e têmpera.
- Após carbonização + têmpera + revenido: a microestrutura do caso é martensítica (alta dureza), o núcleo é martensita temperada ou ferrita/pearlita, dependendo do processamento, projetado para ter um núcleo dúctil para resistir à propagação de trincas.
- O Cr promove a formação de carbonetos de liga e aumenta a capacidade de endurecimento, de modo que seções mais grossas podem obter um caso duro com um núcleo tenaz.
Efeitos de tratamentos térmicos específicos: - Normalização: refina a microestrutura, aumento modesto da resistência; útil como um passo preparatório. - Têmpera e revenido: aumenta a resistência e a tenacidade; ambos os aços respondem, mas 20CrMnTi ganha mais em dureza de caso quando carbonizado antes da têmpera. - Carbonização (20CrMnTi): introduz um caso superficial de alto carbono permitindo uma dureza superficial muito alta após a têmpera; 20MnTi é menos comumente usado para aplicações de carbonização profunda porque carece da maior capacidade de endurecimento do Cr.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: propriedades mecânicas indicativas após processamento típico. Os valores são intervalos representativos usados na indústria; as propriedades finais dependem do tratamento térmico preciso, tamanho da seção e química exata.
| Propriedade (condição típica) | 20MnTi (normalizado ou QT) | 20CrMnTi (caso carbonizado + núcleo temperado ou QT) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~400 – 650 | Núcleo: ~600 – 900 (pós-carbonização e QT depende); superfície muito mais alta após carbonização |
| Resistência ao escoamento (MPa) | ~250 – 420 | Núcleo: ~350 – 700 (varia conforme o tratamento) |
| Alongamento (%) | ~12 – 20 | Núcleo: ~8 – 18 (peças carbonizadas frequentemente trocam ductilidade por dureza de caso) |
| Tenacidade ao impacto (J, temperatura ambiente) | Geralmente boa — superior aos equivalentes carbonizados de mesma dureza | Tenacidade do núcleo projetada para ser alta; caso é duro e menos tenaz |
| Dureza (HRC ou HB) | Como-normalizado: ~170–240 HB; após QT: pode ser maior (escala HRC variável) | Dureza do caso após carbonização: pode exceder 58–64 HRC localmente; núcleo tipicamente 200–260 HB (varia) |
Qual é mais forte, mais tenaz ou mais dúctil: - Resistência: Nas propriedades do núcleo após têmpera pesada e revenido, 20CrMnTi pode alcançar resistência comparável ou superior devido à capacidade de endurecimento aprimorada pelo Cr, especialmente após a carbonização, onde a dureza superficial é muito maior. - Tenacidade: 20MnTi frequentemente exibe melhor tenacidade total em condições de endurecimento total, a menos que 20CrMnTi seja especificamente tratado termicamente para otimizar a tenacidade do núcleo; no entanto, 20CrMnTi carbonizado fornece um núcleo tenaz com um caso de alta dureza e resistência ao desgaste — uma combinação desejável para aplicações de fadiga de contato. - Ductilidade: 20MnTi tende a exibir maior ductilidade em condições de endurecimento total (sem caso duro carbonizado).
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende principalmente do equivalente de carbono e do conteúdo de micro-ligação. O uso de avaliações de equivalente de carbono ajuda a prever os requisitos de pré-aquecimento/tratamento térmico pós-solda.
Fórmulas comuns de equivalente de carbono: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula Dearden & O'Neill / Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - 20MnTi: carbono moderado e conteúdo de liga limitado geralmente resultam em equivalentes de carbono moderados e soldabilidade geralmente aceitável com pré-aquecimento padrão e temperaturas de interpass controladas. A micro-ligação com Ti pode complicar marginalmente a seleção de materiais de solda, mas geralmente a liga é soldável para muitas fabricações. - 20CrMnTi: O Cr aumenta o equivalente de carbono e a capacidade de endurecimento, portanto, a soldabilidade é inferior à de 20MnTi em geral. Componentes carbonizados requerem procedimentos especiais de solda, pré-aquecimento e tratamento térmico pós-solda para evitar trincas por hidrogênio e restaurar as propriedades do núcleo. Para soldagem de reparo de superfícies carbonizadas, siga os pré-aquecimentos/PWHT apropriados e use metais de enchimento compatíveis.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- Tanto 20MnTi quanto 20CrMnTi são aços de baixa liga não inoxidáveis; eles são suscetíveis à corrosão geral e requerem revestimentos protetores ou controle ambiental em serviço corrosivo.
- Proteções comuns: pintura, revestimentos à base de solvente ou em pó, fosfatização e galvanização a quente; a escolha depende da geometria e dos requisitos pós-tratamento térmico (nota: galvanização após carbonização/têmpera pode ser impraticável para algumas aplicações).
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses graus não inoxidáveis, mas para referência, avaliações inoxidáveis usam: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Se a resistência à corrosão for um fator primário de design, escolha ligas inoxidáveis ou resistentes à corrosão em vez desses aços de carbono/ligas.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- 20MnTi: maquinabilidade média típica de aços de carbono médio; a maquinabilidade pode ser melhorada após recozimento ou normalização apropriados.
- 20CrMnTi: maquinabilidade ligeiramente inferior se o conteúdo de Cr for maior ou se o material for carbonizado/endurecido; a usinagem de caso endurecido requer moagem em vez de corte convencional.
- Formabilidade e dobra:
- Ambos os graus são formáveis em condição recozida ou normalizada; 20MnTi é ligeiramente mais tolerante para formação devido à sua menor capacidade de endurecimento.
- Após o tratamento térmico (QT ou carbonizado), a formabilidade e a dobrabilidade diminuem substancialmente.
- Acabamento superficial:
- Moagem e polimento são comuns para componentes 20CrMnTi carbonizados para atender aos requisitos de acabamento superficial e tolerância.
8. Aplicações Típicas
| 20MnTi — Usos Típicos | 20CrMnTi — Usos Típicos |
|---|---|
| Eixos, pinos, fixadores, peças estruturais onde resistência moderada e boa tenacidade são requeridas; forjados e eixos que são endurecidos ou temperados | Engrenagens, eixos de engrenagem, rodas dentadas, cames, pinos de alta resistência, estrias e rolamentos que requerem um caso duro e resistente ao desgaste com um núcleo tenaz e dúctil (carbonizado e temperado) |
| Componentes mecânicos gerais que requerem boa maquinabilidade e tratamento térmico de menor custo | Componentes de alta tensão de contato onde uma superfície dura e resistência à fadiga são críticas |
Racional de seleção: - Escolha 20MnTi quando o componente requer propriedades uniformes através da seção, tratamento térmico mais simples, ou quando a soldabilidade e o menor custo são prioridades. - Escolha 20CrMnTi quando o desgaste superficial, a fadiga de contato e a necessidade de um caso duro com um núcleo dúctil direcionam a decisão; é a escolha usual para engrenagens carbonizadas e componentes de alta tensão de contato.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo:
- 20MnTi: geralmente menor custo de material devido à química mais simples e produção generalizada; custos de usinagem e tratamento térmico são moderados.
- 20CrMnTi: custo de material marginalmente mais alto devido à adição de Cr e à necessidade comum de carbonização e tratamento térmico mais complexo; o custo total da peça fabricada pode ser maior devido ao processamento (tempo de forno de carbonização, óleo de têmpera, moagem).
- Disponibilidade por forma de produto:
- Ambos os graus estão comumente disponíveis em formas de barra, forjamento e produtos laminados em regiões com produção industrial de aço estabelecida; 20CrMnTi pode ser mais frequentemente estocado em formas direcionadas para carbonização (barras para engrenagens, eixos).
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumindo atributos qualitativos:
| Atributo | 20MnTi | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa (CE moderado) | Regular a ruim (maior capacidade de endurecimento; requer mais cuidado) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Bom equilíbrio endurecido total | Excelente combinação caso/núcleo após carbonização; tenacidade do núcleo projetada |
| Custo (material + processamento) | Menor | Maior (devido ao Cr e às necessidades de processamento de tratamento térmico) |
Recomendação: - Escolha 20MnTi se você precisar de um aço de carbono médio soldável e econômico com boa tenacidade através da seção e tratamento térmico simples (têmpera e revenido ou normalização), e quando nenhum endurecimento superficial pesado for necessário. - Escolha 20CrMnTi se o design exigir um caso duro resistente ao desgaste com um núcleo tenaz e dúctil (por exemplo, engrenagens, eixos de comando, pinos de alta carga) e você puder acomodar carbonização/têmpera/revenido e os controles e custos de processo associados.
Nota final: Sempre confirme os limites químicos e mecânicos exatos na especificação de compra ou norma aplicável para sua região e aplicação. Os cronogramas de tratamento térmico, o tamanho da seção e o ambiente de serviço pretendido afetarão materialmente o desempenho final de qualquer um dos graus.