30CrMo vs 35CrMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
30CrMo e 35CrMo são aços liga de cromo-molibdênio comumente especificados para componentes forjados ou usinados que requerem maior resistência e tenacidade do que os aços carbono comuns. Engenheiros e profissionais de compras geralmente escolhem entre eles ao equilibrar resistência à fadiga e ao desgaste contra a fabricabilidade e o custo—exemplos incluem eixos, engrenagens, bielas e fixadores de alta resistência.
O principal dilema de seleção é o desempenho mecânico: 35CrMo é especificado para maior resistência e resistência ao desgaste após têmpera, enquanto 30CrMo fornece um equilíbrio ligeiramente mais favorável de ductilidade, tenacidade e soldabilidade para muitas aplicações. Essas duas classes são frequentemente comparadas porque compartilham o mesmo sistema de liga (Cr–Mo) e rotas de processamento, mas diferem principalmente no teor de carbono e, portanto, na resistência e endurecibilidade alcançáveis.
1. Normas e Designações
- Normas e designações típicas onde essas classes aparecem:
- GB/T (China): 30CrMo, 35CrMo (classes de aço liga nacional comumente usadas).
- EN: função semelhante à série EN 34CrMo4/42CrMo4 (equivalentes comparativos, não exatos 1:1).
- JIS: existem aços cromo-molibdênio na família JIS, mas os equivalentes de nome direto diferem.
- ASTM/ASME: não há equivalentes diretos de número único ASTM; classes comparáveis podem ser encontradas na família AISI/SAE 4130/4140 para referência de engenharia.
- Classificação: Tanto 30CrMo quanto 35CrMo são aços liga de baixo teor, temperados e revenidos (não inoxidáveis, não aços para ferramentas, não HSLA no sentido exato). Eles são projetados para alta resistência e boa endurecibilidade.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: intervalos de composição típicos (peso %). Os valores mostrados são intervalos representativos comumente usados em especificações para essas classes no estilo GB.
| Elemento | 30CrMo (intervalo típico) | 35CrMo (intervalo típico) |
|---|---|---|
| C | 0.27 – 0.34 | 0.32 – 0.40 |
| Mn | 0.50 – 0.80 | 0.50 – 0.90 |
| Si | 0.17 – 0.37 | 0.17 – 0.37 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.80 – 1.10 | 0.80 – 1.10 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | 0.15 – 0.25 | 0.15 – 0.25 |
| V | — (geralmente ≤ 0.05 se presente) | — (geralmente ≤ 0.05 se presente) |
| Nb, Ti, B, N | traço ou não especificado | traço ou não especificado |
Notas: - A maior parte da diferença mecânica vem do teor de carbono (C): 35CrMo contém mais carbono do que 30CrMo, o que aumenta a resistência e o potencial de dureza após têmpera. - O cromo (Cr) e o molibdênio (Mo) aumentam a endurecibilidade, a resistência a altas temperaturas e a resistência ao revenido; eles também melhoram a resistência ao amolecimento por revenido em relação aos aços carbono comuns. - O silício (Si) e o manganês (Mn) contribuem para a resistência e desoxidação; o excesso de Mn aumenta a endurecibilidade e influencia a soldabilidade. - Elementos como V, Nb ou Ti podem aparecer em baixos níveis em variantes específicas para refinar o tamanho do grão e melhorar a tenacidade ou resistência ao fluência.
Como a liga afeta o desempenho: - O carbono aumenta a resistência e a dureza, mas reduz a ductilidade e a soldabilidade se aumentado excessivamente. - Cr e Mo melhoram a endurecibilidade (permitindo a tempera em seções maiores) e a resistência ao revenido; o Mo é particularmente importante para manter a resistência após o revenido. - O controle de elementos indesejados (P, S) e o equilíbrio Mn/Si são cruciais para a tenacidade ao impacto e a qualidade da forja.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Na condição recozida ou normalizada, ambas as classes mostram uma mistura de ferrita e perlita com o tamanho do grão influenciado pelos parâmetros de forjamento e normalização. - Após a têmpera a partir da temperatura de austenitização, ambas formam martensita (ou bainita dependendo do tamanho da seção e da taxa de resfriamento), com 35CrMo produzindo uma fração de volume maior de martensita não revenida para uma têmpera dada devido ao seu maior teor de carbono. - O revenido adequado transforma a martensita em martensita revenida (dispensão de cementita dentro de uma matriz ferrítica), que define o equilíbrio final de resistência e tenacidade.
Rotas de tratamento térmico e efeitos: - Normalização: refina o tamanho do grão, melhora a uniformidade mecânica; usado como pré-tratamento para forjamento e para garantir microestrutura consistente antes da têmpera. - Têmpera e revenido (Q&T): rota primária para ambas as ligas alcançarem alta resistência. Temperaturas de revenido mais altas diminuem a dureza e aumentam a ductilidade e tenacidade. - Processamento termo-mecânico: ciclos de forjamento e resfriamento controlados podem melhorar o refino do grão e a tenacidade resultante; ambos os aços se beneficiam de laminação controlada seguida de tratamento térmico apropriado para maximizar as propriedades de fadiga e impacto. - Implicação prática: como 35CrMo tem maior teor de carbono, o controle cuidadoso da austenitização, severidade da têmpera e revenido é necessário para evitar fragilidade excessiva. 30CrMo é ligeiramente mais tolerante durante o tratamento térmico se a tenacidade for crítica.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: propriedades mecânicas comparativas (intervalos qualitativos e direção). Os valores absolutos dependem fortemente da forma do produto e do tratamento térmico; a tabela indica o comportamento relativo típico após processos comparáveis de têmpera e revenido.
| Propriedade | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Alta (adequada para peças de serviço pesado) | Mais alta (maior potencial de resistência final) |
| Resistência ao escoamento | Média-alta | Mais alta (para a mesma dureza de revenido) |
| Alongamento (ductilidade) | Melhor ductilidade | Ductilidade reduzida em comparação com 30CrMo |
| Tenacidade ao impacto | Tipicamente mais alta (sob resistência equivalente) | Mais baixa, a menos que o revenido seja otimizado para tenacidade |
| Dureza (pós-Q&T) | Alta alcançável | Mais alta alcançável; maior endurecibilidade |
Explicação: - O maior teor de carbono de 35CrMo aumenta a endurecibilidade e as resistências à tração e ao escoamento alcançáveis após a têmpera e o revenido. Isso o torna preferível onde cargas estáticas ou de fadiga mais altas são esperadas. - 30CrMo geralmente mostrará melhor ductilidade e tenacidade ao impacto no mesmo nível de resistência nominal devido ao seu menor teor de carbono e à fragilidade da martensita ligeiramente menor após a têmpera. - Os projetistas devem escolher os parâmetros de tratamento térmico para atender à combinação necessária de resistência e tenacidade; por exemplo, o revenido a temperaturas mais altas recupera a ductilidade, mas reduz a resistência máxima.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é fortemente influenciada pelo equivalente de carbono e pela endurecibilidade. Para aços liga, fórmulas empíricas padrão ajudam a avaliar as necessidades de pré-aquecimento e tratamento térmico pós-solda:
-
Um equivalente de carbono comum usado para montagens soldadas: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Um parâmetro mais abrangente para misturas de liga complexas: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação (qualitativa): - Como 35CrMo contém mais carbono, seu equivalente de carbono e $P_{cm}$ geralmente serão mais altos do que os de 30CrMo, indicando maior suscetibilidade a trincas a frio e zonas afetadas pelo calor (HAZ) mais duras. - Para ambas as classes, Cr e Mo contribuem para a endurecibilidade e, portanto, aumentam o risco de endurecimento da HAZ; o Mo tem um efeito notável na dureza retida após a soldagem. - Orientação prática para soldagem: pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e tratamento térmico pós-solda (PWHT) são frequentemente necessários para ambas as classes ao unir componentes mais grossos que alguns milímetros; os requisitos são mais rigorosos para 35CrMo. - Quando a soldabilidade é um requisito primário, 30CrMo ou alternativas de baixo carbono (ou metais de adição compatíveis com a tenacidade) são frequentemente preferidos para minimizar a necessidade de PWHT.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, 30CrMo ou 35CrMo, é aço inoxidável; eles não oferecem resistência significativa à corrosão apenas pela composição.
- Proteções típicas: pintura, revestimento em pó, primers à base de solvente e galvanização a quente (para ambientes moderados). Para ambientes agressivos, barreiras adicionais (revestimentos, ânodos sacrificiais) ou reservas de corrosão devem ser usadas.
- Se análogos inoxidáveis estão sendo considerados, índices de corrosão como PREN são usados: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN não é aplicável a 30CrMo/35CrMo porque não são inoxidáveis; seus níveis de Cr e Mo são muito baixos e não há nitrogênio intencional para resistência à corrosão por picotamento.
- Nota prática: endurecimento de superfície (indução, nitretação) pode ser aplicado com cuidado, mas a nitretação e o endurecimento superficial requerem seleção do material base e do processo para não introduzir distorções excessivas ou comprometer as propriedades do núcleo.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade: 35CrMo tende a ser ligeiramente mais difícil de usinar na condição tratada termicamente devido à maior dureza; na condição recozida, ambas as classes usinam razoavelmente bem, embora o controle de cavacos e a vida útil da ferramenta dependam dos níveis de carbono e Mn. Ferramentas de metal duro e velocidades de corte apropriadas são recomendadas para condições endurecidas.
- Formabilidade/curvabilidade: na condição recozida ou normalizada, 30CrMo é mais fácil de dobrar/formar devido à menor resistência e maior ductilidade. A conformação a frio desses aços liga é limitada; a conformação a quente e o tratamento térmico pós-conformação são comuns para formas complexas.
- Acabamento: retificação, jateamento e tratamentos de superfície são semelhantes para ambas as classes; atenção ao estresse residual e distorção durante o acabamento é necessária, especialmente para 35CrMo após a têmpera.
8. Aplicações Típicas
| 30CrMo — Usos típicos | 35CrMo — Usos típicos |
|---|---|
| Eixos de manivela, bielas, eixos de médio porte, flanges, cilindros hidráulicos | Eixos altamente carregados, engrenagens de serviço pesado, fixadores de alta resistência, componentes de transmissão de potência |
| Componentes que requerem um equilíbrio de tenacidade e resistência (automotivo, maquinário) | Componentes onde maior resistência estática/fadiga ou resistência ao desgaste é necessária (mineração, maquinário pesado) |
| Montagens soldadas onde a tenacidade pós-solda é necessária (com pré-aquecimento/PWHT adequado) | Peças onde a tempera total e maior resistência são os principais fatores de projeto |
Racional de seleção: - Escolha 30CrMo quando o projeto requer um bom compromisso entre tenacidade, ductilidade e usinabilidade com resistência elevada. - Escolha 35CrMo quando maior resistência à tração e resistência ao desgaste são necessárias e quando a produção pode acomodar procedimentos de tratamento térmico e soldagem mais rigorosos.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 35CrMo geralmente tem um pequeno prêmio sobre 30CrMo devido ao maior teor de carbono e, às vezes, controles de processamento mais rigorosos para alcançar a tenacidade especificada. No entanto, as diferenças de custo de matéria-prima são modestas; o custo de tratamento térmico e controles adicionais de soldagem contribuem mais para o custo total da peça para 35CrMo.
- Disponibilidade: Ambas as classes estão comumente disponíveis em forjados, barras e lingotes em regiões onde ligas no estilo GB são estocadas. A disponibilidade por forma de produto (barras, forjados, tubos sem costura) varia por fornecedor e região—adquirir variantes especiais com micro-ligação ou rastreabilidade certificada pode aumentar o tempo de entrega.
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumindo os principais trade-offs qualitativamente:
| Métrica | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (menor CE) | Menor (maior CE; mais PWHT necessário) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Bom equilíbrio; maior tenacidade em processamento comparável | Maior resistência de pico; a tenacidade pode ser menor a menos que seja revenido adequadamente |
| Custo (influência do processamento) | Menor risco/custo de processamento geral | Potencialmente maior devido a controles mais rigorosos de tratamento térmico/soldagem |
Conclusões: - Escolha 30CrMo se a durabilidade com um equilíbrio favorável entre tenacidade e ductilidade, soldagem mais fácil e controle de tratamento térmico menos exigente forem prioridades. Aplicações típicas incluem eixos de médio porte, componentes que requerem alguma soldagem e peças onde a resistência ao impacto é importante. - Escolha 35CrMo se maior resistência final e ao escoamento e maior endurecibilidade forem essenciais, e o plano de fabricação puder acomodar procedimentos de têmpera/revenido e soldagem mais cuidadosos. Usos típicos incluem engrenagens altamente carregadas, fixadores de alta resistência e componentes sujeitos a maiores demandas de fadiga ou desgaste.
Dica prática final: Para qualquer componente crítico, especifique a condição de tratamento térmico necessária, limites de dureza, requisitos de impacto Charpy (se aplicável) e qualificação do procedimento de soldagem no documento de compra. As diferenças de desempenho entre 30CrMo e 35CrMo são gerenciadas de forma mais confiável por meio de tratamento térmico controlado, procedimentos de soldagem validados e inspeção (mapeamento de dureza, metalografia ou testes mecânicos) em vez de depender apenas de nomes de classes nominais.