40Cr vs 45Cr – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
40Cr e 45Cr são dois aços liga/carbono comumente especificados que foram temperados e revenidos, usados para eixos, engrenagens, eixos e outros componentes mecânicos. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente ponderam as compensações entre maior teor de liga (para endurecimento e resistência ao revenido) e maior teor de carbono (para dureza e resistência após a têmpera). Os contextos típicos de decisão incluem se uma peça deve ser endurecida por inteiro ou apenas na superfície, se a soldabilidade ou tenacidade é uma prioridade, e o custo permitido de material e processamento.
A principal distinção prática entre essas classes é que 40Cr é formulado com cromo intencional para melhorar a endurecibilidade e o comportamento de revenido, enquanto 45Cr enfatiza um maior teor de carbono (e às vezes níveis de Cr ligeiramente diferentes) para alcançar maior resistência após o tratamento térmico. Por causa disso, eles são frequentemente comparados onde resistência, tenacidade e endurecibilidade são todos fatores de design.
1. Normas e Designações
- Normas e equivalentes nacionais/setoriais comuns (informativo, ver contrato/especificação para limites exatos):
- GB/T (China): 40Cr (aço estrutural de liga), 45Cr (aço de cromo de carbono mais alto em alguns catálogos) — muitos fornecedores referenciam as classes GB.
- AISI/SAE: 40Cr ≈ família AISI 5140; 45Cr ≈ família AISI 5145 (os equivalentes variam por fornecedor).
- EN (Europeu): sem equivalente numérico direto exato — os mais próximos são aços de liga média como variantes 41Cr4/42CrMo; verifique a especificação EN para limites químicos.
- JIS: Aços de famílias semelhantes existem nas normas japonesas; verifique a designação exata.
- Classificação: ambas as classes são aços de carbono ligadas (não inoxidáveis). Eles são usados como aços estruturais/ligados adequados para tratamento térmico; não são apenas carbono simples nem HSLA no sentido estrito.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
- Tabela: intervalos típicos de composição nominal (expressos em % de peso; os limites reais de especificação variam por norma e fábrica). Sempre verifique o certificado da fábrica para conformidade contratual.
| Elemento | 40Cr típico (nominal) | 45Cr típico (nominal) |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.42–0.50 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.80–1.10 | 0.20–0.80 (varia por fornecedor) |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.08 | ≤0.08 |
| V, Nb, Ti, B, N | tipicamente traços ou controlados como impurezas | tipicamente traços ou controlados como impurezas |
Notas: - A tabela fornece intervalos representativos: 40Cr convencionalmente inclui cerca de 0.8–1.1% de Cr para aumentar a endurecibilidade e a resistência ao revenido. As formulações de “45Cr” podem variar — alguns fornecedores posicionam 45Cr próximo a um aço de cromo de carbono mais alto (C ≈ 0.45%) mas com menor cromo do que 40Cr; outros tratam 45Cr como uma versão de 45# (0.45%C) contendo cromo. Sempre confirme o certificado químico exato para o lote que você compra. - Como a liga afeta o comportamento: aumentar o C eleva a dureza e resistência alcançáveis, mas reduz a soldabilidade e ductilidade. O cromo aumenta a endurecibilidade, melhora a profundidade de endurecimento em seções mais espessas e melhora a resistência ao revenido e o desempenho contra desgaste.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestruturas típicas:
- Como laminado a quente ou normalizado: microestrutura de ferrita + perlita; 40Cr pode mostrar perlita mais fina e maior dispersão de carbonetos retidos devido ao Cr.
- Após a têmpera: martensita (mais austenita retida em C muito alto); 45Cr (C mais alto) formará uma martensita mais dura e mais quebradiça se temperada ao mesmo nível de dureza.
-
Após o revenido: martensita revenida; aços contendo Cr (40Cr) geralmente desenvolvem resistência ao revenido — retendo resistência em temperaturas de revenido mais altas e proporcionando um equilíbrio favorável entre tenacidade e resistência.
-
Rotas de tratamento térmico:
- Normalização: refina o grão e remove estrias; comumente usado como um passo intermediário para qualquer uma das classes.
- Endurecimento e revenido (Q&T): a principal rota de endurecimento. 40Cr alcança um endurecimento mais profundo na mesma severidade de têmpera devido ao Cr; 45Cr atinge maior dureza no núcleo em seções mais finas principalmente devido ao maior carbono.
- Processamento termo-mecânico: laminação controlada e resfriamento acelerado podem refinar ainda mais a microestrutura e melhorar a resistência/tenacidade; os benefícios se aplicam a ambos, mas o teor de liga determina a endurecibilidade alcançável.
4. Propriedades Mecânicas
- As seguintes são direções típicas de propriedades (os valores reais dependem do tratamento térmico, tamanho da seção e norma de teste). Use o relatório de teste da fábrica para decisões de compra.
| Propriedade (condição típica) | 40Cr (normalizado / Q&T) | 45Cr (normalizado / Q&T) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | Moderada a alta; ampla faixa dependendo do Q&T | Levemente maior máximo alcançável na mesma severidade de têmpera (devido ao C) |
| Resistência ao escoamento (MPa) | Moderada; boa estabilidade ao revenido | Geralmente maior resistência ao escoamento em dureza equivalente devido ao maior C |
| Alongamento (%) | Boa ductilidade quando normalizado/revenido adequadamente | Alongamento levemente menor em resistência igual devido ao maior C |
| Tenacidade ao impacto (J, Charpy) | Tipicamente melhor tenacidade em dureza igual porque o Cr melhora as características de revenido | Menor tenacidade do que 40Cr no mesmo nível de dureza, a menos que revenido adequadamente |
| Dureza (HRC ou HB) | Boa endurecibilidade; pode alcançar alta dureza com Q&T | Maior potencial de dureza após a têmpera (C mais alto), mas pode ser mais quebradiço |
Explicação: - Resistência: o maior carbono de 45Cr permite maior resistência/dureza para o mesmo tratamento térmico; no entanto, a presença de cromo em 40Cr permite melhor endurecibilidade para seções maiores e melhora a tenacidade após o revenido. - Tenacidade: a liga (Cr) ajuda a manter a tenacidade em resistências mais altas porque reduz a taxa de fragilização durante o revenido. - Ductilidade: o maior carbono geralmente reduz a ductilidade, então para aplicações que requerem alongamento ou resistência à fadiga, 40Cr pode ser preferível em um determinado nível de resistência.
5. Soldabilidade
- Fatores chave: teor de carbono e equivalentes de carbono determinam a seleção de pré-aquecimento/pós-aquecimento e consumíveis. A dureza e o risco de trincas a frio aumentam com maior C e ligas de alta endurecibilidade.
- Fórmulas comuns de equivalente de carbono usadas para avaliar a soldabilidade:
- Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm Internacional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretação:
- 45Cr (C mais alto) geralmente apresenta maior CE e Pcm, implicando maiores requisitos de pré-aquecimento e temperatura entre passes e maior suscetibilidade a trincas a frio induzidas por hidrogênio.
- O cromo adicionado de 40Cr aumenta o CE um pouco (porque o Cr aparece no numerador da fórmula CE), mas seu efeito de endurecibilidade significa que seções grossas requerem controle cuidadoso do procedimento de soldagem. Na prática, ambas as classes requerem pré-aquecimento apropriado, temperaturas entre passes controladas, consumíveis de baixo hidrogênio e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) dependendo da espessura e das condições de serviço finais.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Esses aços não são inoxidáveis; a resistência à corrosão é limitada. Opções de proteção:
- Pintura, revestimento em pó, lubrificação ou galvanização a quente para proteção geral contra corrosão.
- Para componentes que se espera operar em ambientes severos, considere tratamentos de superfície como nitretação, cementação (para superfícies de desgaste) ou revestimento.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a aços estruturais de liga não inoxidáveis, mas a fórmula de exemplo é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Ponto prático: pequenos teores de Cr em 40Cr/45Cr não os tornam resistentes à corrosão; o cromo aqui serve a propósitos metalúrgicos — não de corrosão.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- Maior teor de carbono (45Cr) geralmente reduz a maquinabilidade devido à maior dureza após o tratamento térmico; na condição recozida, a maquinabilidade é aceitável, mas inferior à de aços de baixo carbono.
- 40Cr com C ligeiramente mais baixo e maior Cr se comporta de maneira semelhante; classes de usinagem frequentemente requerem condição mais macia (recozida) e ferramentas apropriadas.
- Formabilidade e dobra:
- Na condição recozida/normalizada, ambas as classes podem ser moldadas; maior carbono reduz a ductilidade — planeje operações de formação em condição mais macia.
- Acabamento:
- Acabamento de superfície e moagem: ambas as classes podem ser moídas e polidas; o cromo pode influenciar o desgaste abrasivo das ferramentas.
- Distorsão do tratamento térmico: ambas experimentarão distorção durante a têmpera; a maior endurecibilidade de 40Cr pode reduzir a distorção em seções mais grossas se temperadas adequadamente.
8. Aplicações Típicas
| 40Cr (usos comuns) | 45Cr (usos comuns) |
|---|---|
| Eixos, engrenagens, eixos de comando, eixos pesados onde o endurecimento por inteiro em seções mais grossas é necessário | Eixos, pinos, parafusos, virabrequins, engrenagens onde maior resistência ou dureza local é requerida e as seções são moderadas |
| Partes chavetadas e fixadores fortemente carregados que requerem boa resistência ao revenido | Componentes projetados para maior dureza de superfície ou núcleo após a têmpera |
| Partes de máquinas-ferramentas que requerem bom equilíbrio entre resistência ao desgaste e tenacidade | Forjados e partes onde um aço de carbono mais alto e custo-efetivo é suficiente com tratamento térmico apropriado |
Racional de seleção: - Escolha 40Cr quando você precisar de melhor endurecibilidade para seções mais grossas, estabilidade de revenido melhorada e um melhor equilíbrio entre resistência e tenacidade. - Escolha 45Cr quando o maior teor de carbono (maior dureza e resistência alcançáveis) em tamanhos de seção moderados for a prioridade e as compensações aceitáveis em ductilidade/soldabilidade forem gerenciadas.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: os custos de material variam por fábrica e mercado, mas:
- 40Cr é tipicamente um pouco mais caro do que aços de carbono simples equivalentes devido à liga (Cr) e ao processamento associado.
- O maior teor de carbono de 45Cr pode ser semelhante ou marginalmente mais baixo em custo do que 40Cr, dependendo dos níveis de cromo; a disponibilidade de qualquer uma das classes em tamanhos comuns de barra/forjamento é boa a partir de grandes usinas de aço.
- Formas de produto: ambas estão amplamente disponíveis como barras redondas, forjados e barras acabadas a frio. Os prazos de entrega e a volatilidade de preços dependem do fornecimento de cromo e das condições do mercado global de aço.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | 40Cr | 45Cr |
|---|---|---|
| Soldabilidade (qualitativa) | Melhor em CE moderado quando C é controlado; ainda requer precauções de soldagem | Menor (C mais alto) — maior pré-aquecimento/PWHT provável |
| Equilíbrio entre Resistência e Tenacidade | Bom; melhor resistência ao revenido para espessura | Maior dureza/resistência após a têmpera, mas menor tenacidade em dureza equivalente |
| Custo (relativo) | Moderado (prêmio de custo de liga) | Comparável a ligeiramente mais baixo dependendo do teor de Cr |
Recomendação: - Escolha 40Cr se você precisar de bom endurecimento por inteiro em seções maiores, resistência ao revenido melhorada e um melhor equilíbrio entre tenacidade e resistência para componentes fortemente carregados. - Escolha 45Cr se seu projeto exigir maximização da resistência/dureza em seções moderadas e você puder aceitar as compensações em soldabilidade e ductilidade (ou mitigá-las com tratamento térmico e processamento apropriados).
Nota final: limites químicos e mecânicos exatos diferem entre normas e fornecedores. Para compras e design, sempre especifique a norma (certificado da fábrica necessário), a rota de tratamento térmico requerida e os critérios de aceitação mecânica/propriedade relevantes.