40Cr vs 42CrMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
40Cr e 42CrMo são dois aços de carbono médio amplamente utilizados em aplicações de engenharia onde um equilíbrio entre resistência, tenacidade e custo é necessário. Engenheiros e equipes de compras comumente escolhem entre eles para eixos, engrenagens, forjados e peças de máquinas com alta tensão; a decisão de seleção geralmente equilibra a resistência e tenacidade alcançáveis (e a temperabilidade do tamanho da seção) em relação ao custo do material e ao processamento subsequente (soldagem, tratamento térmico, usinagem).
A principal distinção metalúrgica é que 42CrMo contém molibdênio como uma adição de liga deliberada, enquanto 40Cr é principalmente um aço de carbono médio com teor de cromo sem Mo intencional. Essa diferença aumenta a temperabilidade e a resistência ao revenido do 42CrMo, influenciando os limites de espessura da seção para têmpera e revenido, tenacidade em níveis de resistência equivalentes e requisitos de soldagem/tratamento térmico. Esses dois graus são, portanto, frequentemente comparados quando um projeto precisa de melhor endurecimento total ou desempenho de fadiga/tenacidade mais alto sem recorrer a aços de liga mais caros.
1. Normas e Designações
- GB/T (China): 40Cr, 42CrMo (designações nacionais comuns).
- EN (Europa): 42CrMo4 é o equivalente EN comum ao 42CrMo (frequentemente especificado como 1.7225); 40Cr tem equivalentes aproximados na EN e às vezes é tratado como semelhante a aços de cromo de carbono médio no sistema EN.
- AISI/SAE (EUA): equivalentes aproximados — 40Cr ≈ SAE 5140; 42CrMo ≈ SAE 4140 (abreviação comumente usada na indústria).
- JIS (Japão): 42CrMo é comumente comparado ao SCM440; 40Cr mapeia para aços de cromo de carbono médio SCr/SCM semelhantes.
Classificação:
- 40Cr — aço de cromo de carbono médio (aço de carbono ligado).
- 42CrMo — aço de cromo-molibdênio de carbono médio (aço de baixa liga com maior temperabilidade).
(Notas: a equivalência entre normas nacionais é aproximada — sempre verifique os limites químicos e mecânicos de especificação para aquisição e inspeção.)
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Faixas de composição típicas (peso %) para graus comerciais comumente fornecidos. Os valores são faixas típicas representativas de especificações industriais; verifique os certificados específicos do moinho para composição exata.
| Elemento | 40Cr (faixa típica) | 42CrMo (faixa típica) |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.38–0.45 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.60–0.90 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.10–0.40 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.80–1.10 | 0.90–1.30 |
| Ni | — (traço) | — (traço) |
| Mo | — (traço) | 0.15–0.30 |
| V, Nb, Ti, B, N | tipicamente não intencionais em graus padrão; presentes apenas como resíduos ou em variantes microaleadas | tipicamente não intencionais em graus padrão; presentes apenas como resíduos ou em variantes microaleadas |
Como a liga afeta as propriedades: - Carbono (C): elemento primário de endurecimento; maior C aumenta a dureza e resistência alcançáveis, mas reduz a soldabilidade e ductilidade. - Cromo (Cr): melhora a temperabilidade, resistência, resistência ao desgaste e resistência ao revenido. - Manganês (Mn) e Silício (Si): desoxidantes e fortalecedores; Mn também aumenta a temperabilidade. - Molibdênio (Mo): aumenta significativamente a temperabilidade e resistência ao revenido, melhora a resistência e tenacidade em altas temperaturas e ajuda a reduzir a sensibilidade à têmpera. A adição de Mo em 42CrMo é a razão chave pela qual ele endurece mais profundamente e tende a reter a tenacidade após o revenido em comparação com 40Cr.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Na condição como laminado ou normalizado, ambos os aços apresentam microestruturas de ferrita + perlita; o tamanho do grão de austenita anterior e a taxa de resfriamento determinam o espaçamento da perlita e a resistência. - Após a têmpera (a partir da austenitização) e o revenido, ambos os aços normalmente formam martensita revenida; a temperatura e o tempo de revenido determinam a dureza, resistência e tenacidade finais.
Comportamento do tratamento térmico: - Normalização: refina o tamanho do grão e produz ferrita/perlita homogênea; benéfico antes da forja ou usinagem. - Têmpera & revenido (Q&T): ambos os graus respondem bem; 42CrMo alcança maior temperabilidade, o que significa que seções mais grossas podem ser totalmente martensíticas após a têmpera em comparação com 40Cr na mesma severidade de resfriamento. - Processamento termo-mecânico: ambos podem ser forjados a quente e posteriormente normalizados/têmpera e revenidos para obter as propriedades desejadas. A presença de Mo em 42CrMo aumenta a resistência ao amolecimento por revenido e melhora a tenacidade em temperaturas de revenido elevadas.
Consequência prática: para seções transversais grandes ou componentes que exigem alta resistência/tenacidade do núcleo, 42CrMo proporciona um endurecimento total mais consistente e evita núcleos macios que podem ocorrer com 40Cr, a menos que sejam utilizados processos de têmpera ou liga especializados.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico, tamanho da seção e revenido. Os valores abaixo são faixas típicas para condições de têmpera e revenido comumente usadas na prática de engenharia — trate-os como exemplos representativos.
| Propriedade (Q&T típica) | 40Cr (faixa representativa) | 42CrMo (faixa representativa) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 700–1000 | 900–1150 |
| Resistência ao escoamento (MPa) | 500–800 | 700–1000 |
| Alongamento (%L0) | 10–18 | 10–15 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, J) | 20–60 (depende do revenido & seção) | 30–80 (geralmente maior tenacidade em dureza comparável) |
| Dureza (HRC ou HB) | HRC ~20–50 (HB ~180–520 dependendo da condição) | HRC ~22–55 (HB ~200–560 dependendo da condição) |
Interpretação: - 42CrMo normalmente atinge maiores resistências à tração e ao escoamento após Q&T para os mesmos parâmetros de tratamento térmico, e mantém melhor tenacidade em dureza equivalente porque o Mo melhora a temperabilidade e resistência ao revenido. - 40Cr pode ser revenido para dureza comparável em seções finas, mas mostrará endurecimento total reduzido e possivelmente menor tenacidade do núcleo em seções transversais grandes. - Ductilidade (alongamento) é comparável em níveis de revenido semelhantes; no entanto, para uma dada resistência nominal, 42CrMo frequentemente permite uma combinação mais tenaz.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é governada pelo teor de carbono, carbono equivalente e temperabilidade. Use índices empíricos para avaliar as necessidades de pré-aquecimento e tratamento térmico pós-soldagem.
Fórmulas comuns de soldabilidade (uso qualitativo): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - Ambos os graus têm carbono médio e liga moderada, portanto nenhum é altamente soldável sem controles. A presença de Mo em 42CrMo eleva os índices $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em relação ao 40Cr, indicando maior suscetibilidade a HAZ martensítica dura e quebradiça e um maior risco de trincas a frio induzidas por hidrogênio se os controles de soldagem não forem aplicados. - Orientação prática para soldagem: pré-aquecer para reduzir a taxa de resfriamento, controlar a entrada de calor, usar consumíveis de baixo hidrogênio e realizar tratamento térmico pós-soldagem (PWHT, alívio de tensões ou revenido) em espessuras maiores ou quando a retenção de propriedades mecânicas é crítica. 42CrMo normalmente requer práticas de pré-aquecimento/PWHT mais cuidadosas do que 40Cr para espessuras comparáveis devido à maior temperabilidade.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, 40Cr ou 42CrMo, é inoxidável; ambos são suscetíveis à corrosão geral e localizada em ambientes agressivos. Estratégias de proteção padrão se aplicam: pintura, lubrificação, galvanização, galvanização (onde apropriado) ou revestimentos de conversão.
- Para ambientes que exigem resistência elevada à corrosão ou resistência a picadas, famílias inoxidáveis devem ser consideradas — PREN (número equivalente de resistência a picadas) não é aplicável a 40Cr/42CrMo. Exemplo de fórmula PREN para ligas inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Ao especificar tratamentos de superfície para 42CrMo, considere que o molibdênio pode influenciar a adesão do revestimento e o comportamento do revestimento de conversão; a limpeza da superfície e o pré-tratamento são importantes antes da galvanização ou pintura.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade: na condição recozida ou normalizada, ambos os graus usinam razoavelmente bem. 40Cr frequentemente usina um pouco mais facilmente devido à ligeiramente menor temperabilidade e menor resistência ao revenido. 42CrMo em condições de maior resistência (Q&T) é mais duro e tenaz, levando a um aumento do desgaste das ferramentas e usinagem mais desafiadora.
- Formabilidade e conformação a frio: como recebido (recozido/normalizado), ambos podem ser moldados e dobrados, mas maior teor de carbono e liga limitam a conformação profunda e a conformação a frio severa em comparação com aços de baixo carbono. O pré-aquecimento para dobrar seções mais grossas é às vezes recomendado.
- Desbaste e acabamento: quando endurecidos, ambos requerem práticas de desbaste de alta qualidade; 42CrMo pode exigir abrasivos mais agressivos devido à maior tenacidade e dureza.
8. Aplicações Típicas
| 40Cr — Usos Típicos | 42CrMo — Usos Típicos |
|---|---|
| Eixos automotivos, parafusos, engrenagens (seções moderadas), acoplamentos, virabrequins (onde apropriado), forjados gerais | Eixos de alta resistência, engrenagens pesadas, componentes hidráulicos, fixadores de alta tensão, forjados de grande seção, equipamentos de campo de petróleo, componentes de máquinas pesadas |
| Peças de máquinas onde o controle de custo é importante e os tamanhos das seções são moderados | Componentes que requerem endurecimento profundo, maior resistência à fadiga e melhor tenacidade em dureza comparável |
Racional de seleção: - Escolha 40Cr para peças sensíveis a custo onde as seções são moderadas e Q&T mais tratamento de superfície atendem às metas de desempenho. - Escolha 42CrMo quando as peças tiverem seções transversais maiores, exigirem maior resistência do núcleo ou vida útil de fadiga, ou onde tenacidade superior em resistência elevada é crítica.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 42CrMo é tipicamente mais caro que 40Cr devido à adição de molibdênio e processamento para química de Mo consistente. A diferença de custo varia com os preços de mercado para Mo e produção de aço.
- Disponibilidade: ambos os graus estão amplamente disponíveis em formas de barra, chapa, forjados e formas de trefilação a frio de grandes usinas de aço e distribuidores. 42CrMo pode ser mais comumente especificado na Europa sob designações EN (42CrMo4), enquanto 40Cr é comum em regiões que usam designações GB/AISI.
- Prazos de entrega: comparáveis para tamanhos de estoque padrão; variantes químicas especiais ou tolerâncias químicas rigorosas podem aumentar os prazos de entrega.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Atributo | 40Cr | 42CrMo |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (mas ainda requer controles para níveis de C) | Mais exigente (maior risco de pré-aquecimento/PWHT) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Bom para seções moderadas | Superior para endurecimento total e tenacidade em alta resistência |
| Custo | Menor | Maior |
Conclusões: - Escolha 40Cr se: - Você precisa de um aço de cromo de carbono médio custo-efetivo para peças de seção transversal moderada. - As seções dos componentes são pequenas a moderadas e o endurecimento total não é necessário. - Os orçamentos para soldagem, usinagem e tratamento térmico são limitados e você pode aceitar uma temperabilidade modesta.
- Escolha 42CrMo se:
- O componente requer endurecimento profundo (grande seção transversal) ou maior resistência à fadiga/tenacidade para uma dada resistência.
- Endurecimento total, melhor resistência ao revenido e tenacidade melhorada em alta resistência são prioridades de projeto.
- Você está preparado para aplicar procedimentos de soldagem mais rigorosos, pré-aquecer e PWHT conforme necessário e aceitar um custo de material mais alto.
Nota prática final: sempre especifique a condição de tratamento térmico necessária, as metas de propriedades mecânicas e qualquer NDT ou mapeamento de dureza necessário para aceitação. Quando em dúvida para componentes rotativos críticos ou sensíveis à fadiga, realize testes de tamanho de seção ou consulte o moinho para dados de dureza vs. profundidade para o meio de têmpera proposto; para soldagem, calcule equivalentes de carbono e siga procedimentos de soldagem qualificados que incluam recomendações de pré-aquecimento e PWHT.