410 vs 420 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros e profissionais de compras frequentemente escolhem entre AISI 410 e AISI 420 ao especificar aços inoxidáveis martensíticos para componentes que devem equilibrar custo, conformabilidade, resistência e resistência moderada à corrosão. Os contextos típicos de decisão incluem a seleção de um grau para componentes de válvulas, eixos, fixadores ou talheres, onde as compensações entre resistência ao desgaste, temperabilidade, soldabilidade e custo de acabamento são importantes.

A principal distinção técnica é que o 420 é uma variante de maior carbono em comparação com o 410, o que confere ao 420 uma dureza e resistência ao desgaste substancialmente maiores após a têmpera, enquanto o 410 mantém uma ductilidade e tenacidade relativamente melhores em muitas condições de serviço. Como ambos são graus inoxidáveis martensíticos com níveis de cromo semelhantes, eles são frequentemente comparados para aplicações que requerem uma resposta martensítica (durecimento + revenimento) em vez da superior resistência à corrosão dos graus austeníticos.

1. Normas e Designações

• Normas e designações comuns:
• AISI/SAE/UNS: 410 (UNS S41000), 420 (UNS S42000)
• ASTM/ASME: materiais comumente referenciados derivados das designações AISI para barras, chapas e forjados
• EN: X12Cr13 (comparável ao 410); variantes do 420 aparecem como membros da família X20Cr13 ou outros códigos martensíticos dependendo do carbono
• JIS/GB: equivalentes inoxidáveis martensíticos comparáveis existem nas normas japonesas e chinesas (por exemplo, família SUS410), mas as normas locais usam numeração distinta
• Classificação: Tanto o 410 quanto o 420 são aços inoxidáveis martensíticos (inoxidáveis, endurecíveis ao ar, tratáveis termicamente). Eles não são aços para ferramentas ou aços HSLA; são ligas inoxidáveis, tratáveis termicamente, destinadas a resistência moderada à corrosão e alta capacidade de dureza.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A estratégia de liga para ambos os graus centra-se no cromo para resistência à corrosão e carbono para temperabilidade e resistência. O 420 aumenta o carbono em relação ao 410 para permitir uma maior resposta de endurecimento e resistência ao desgaste em detrimento da ductilidade e soldabilidade.

Elemento	Faixa típica / notas — 410	Faixa típica / notas — 420
C (carbono)	Baixo–moderado (menor carbono que o 420; projetado para equilibrar ductilidade e temperabilidade)	Maior carbono (intencionalmente elevado para aumentar a temperabilidade e a dureza endurecida)
Mn (manganês)	Pequenas adições (desoxidação, limitação do endurecimento por solução sólida)	Adições pequenas semelhantes
Si (silício)	Pequeno, para desoxidação; endurecimento menor	Semelhante
P (fósforo)	Níveis baixos controlados (controle de impurezas)	Níveis baixos controlados
S (enxofre)	Baixo controlado (melhora a usinabilidade em alguns graus quando presente)	Baixo controlado (pode estar presente em variantes usináveis)
Cr (cromo)	~12% (fornece resistência básica à corrosão/oxidação e características inoxidáveis martensíticas)	~12–14% (nível de cromo semelhante ao 410)
Ni (níquel)	Tipicamente baixo ou nenhum (mantém a estrutura martensítica)	Tipicamente baixo ou nenhum
Mo, V, Nb, Ti, B, N	Geralmente ausentes ou em quantidades traço; algumas variantes comerciais podem incluir pequenas adições de liga	Geralmente ausentes ou traço; variantes especiais 420 (por exemplo, 420HC) podem ter C/S/P ajustados para usinabilidade/dureza

Notas: As porcentagens exatas variam de acordo com a norma e a forma do produto (barra, fita, chapa, forjados). As principais alavancas de liga são cromo (para resistência à corrosão) e carbono (para temperabilidade e dureza máxima após a têmpera).

Como a liga afeta as propriedades: - O cromo cria um filme de óxido passivo que confere comportamento inoxidável em concentrações moderadas (~11–14% nesses graus martensíticos). - O carbono aumenta a dureza e resistência do martensita após a têmpera; maior carbono reduz a tenacidade e soldabilidade e promove a formação de carbonetos durante a exposição ao calor ou soldagem. - Baixo Ni e baixo teor de liga mantêm esses aços magnéticos e martensíticos, permitindo caminhos de tratamento térmico que os graus austeníticos não podem seguir.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura: - Na condição recozida, ambos os graus são geralmente ferríticos/pearlíticos ou parcialmente austeníticos, dependendo da química exata e da história térmica. Após a austenitização e a têmpera, ambos produzem microestruturas martensíticas; a austenita retida e a distribuição de carbonetos dependem do carbono e da taxa de resfriamento. - 410: Com menor carbono, o martensita é menos supersaturado em carbono e tipicamente mais fino; carbonetos estão presentes, mas menos abundantes do que no 420. - 420: O maior carbono produz uma matriz martensítica mais dura e uma maior fração volumétrica de carbonetos de cromo (carbonetos do tipo M23C6) após certos ciclos térmicos.

Resposta ao tratamento térmico: - Normalização (resfriamento ao ar a partir da austenitização): refina o tamanho do grão e pode homogeneizar a microestrutura; usado mais para estabilidade dimensional e melhoria da tenacidade no 410. - Têmpera e revenimento: rota principal para obter uma estrutura martensítica endurecida e revenida em ambos os graus. O 420 atinge maior dureza em temperaturas de revenimento equivalentes devido ao maior carbono; mas também requer revenimento cuidadoso para equilibrar a tenacidade e reduzir a fragilidade. - Processamento termo-mecânico: forjamento e laminação controlada podem refinar o tamanho do grão austenítico antes da têmpera e aumentar a tenacidade em ambos os graus; os efeitos são mais pronunciados no 410 devido à sua menor temperabilidade.

Nota prática: o 420 é mais sensível ao superaquecimento e à precipitação de carbonetos durante o resfriamento lento ou ciclos térmicos de soldagem; isso pode reduzir a resistência local à corrosão e a tenacidade.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas dependem do tratamento térmico. Abaixo está um resumo comparativo, pronto para aplicação, para condições comuns (recozido vs. temperado e revenido ou endurecido + revenido).

Propriedade	410 (comportamento típico)	420 (comportamento típico)
Resistência à Tração	Moderada no recozido; aumenta com a têmpera/revenimento, mas máxima inferior ao 420 em endurecimento equivalente	Inferior no recozido, mas pode alcançar maior resistência à tração final quando endurecido devido ao maior carbono
Resistência de Escoamento	Moderada; bom equilíbrio entre escoamento e ductilidade	Maior escoamento alcançável quando endurecido; menor ductilidade em resistência equivalente
Elongação (ductilidade)	Melhor ductilidade e elongação nas condições recozidas e revenidas	Elongação reduzida após endurecimento; menor ductilidade que o 410 em resistência comparável
Tenacidade ao Impacto	Geralmente melhor tenacidade (menos fragilização em níveis moderados de dureza)	Menor tenacidade ao impacto em condição fortemente endurecida; tendência mais frágil quando levado a alta dureza
Dureza (máxima alcançável)	Dureza máxima moderada após endurecimento (adequada para algum desgaste)	Maior dureza máxima (maior resistência ao desgaste e retenção de borda), mas sacrifica tenacidade

Interpretação: o 420 é a opção mais forte e dura após o tratamento térmico; o 410 é mais tolerante — mais fácil de obter uma tenacidade e ductilidade razoáveis, enquanto ainda fornece uma resistência endurecida modesta.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade dependem do teor de carbono e temperabilidade. Ambos os graus são aços inoxidáveis martensíticos e apresentam desafios de soldagem em comparação com aços de baixo carbono ou inoxidáveis austeníticos.

Índices úteis (interpretação qualitativa): - Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (importante para suscetibilidade a trincas em soldas de aço): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - O 420 tem um termo de carbono mais alto em ambos os índices, aumentando a temperabilidade e o risco de trincas a frio e formação de martensita na ZTA. O pré-aquecimento e o controle da temperatura entre passes, além do revenimento pós-solda ou PWHT, reduzem o risco de fragilização por hidrogênio. - O 410, com menor carbono, é mais fácil de soldar, mas ainda requer atenção ao controle de hidrogênio e pré-aquecimento quando as soldas penetram seções pesadamente trabalhadas a frio ou seções grossas. - O uso de metais de enchimento compatíveis, processos de baixo hidrogênio, pré-aquecimento e revenimento pós-solda ajuda ambos os graus; o 420 geralmente exige controles mais rigorosos e tratamento térmico pós-solda mais intenso para restaurar a tenacidade.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto o 410 quanto o 420 são aços inoxidáveis martensíticos: eles fornecem resistência à corrosão superior ao aço carbono comum em atmosferas secas e ambientes brandos, mas inferior aos graus austeníticos (304/316) em exposições a cloretos ou ácidos.
• O teor de cromo é o principal contribuinte para a resistência à corrosão em ambos os graus; uma vez que ambos têm cromo semelhante, a resistência básica à corrosão é comparável em muitas condições.
• O maior carbono no 420 pode incentivar a precipitação de carbonetos de cromo nas fronteiras dos grãos durante o resfriamento lento ou soldagem. Essa depleção localizada de cromo pode reduzir a resistência à corrosão intergranular.
• Fórmula PREN (não comumente usada para graus martensíticos) (apenas para orientação em algumas famílias inoxidáveis): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Esse índice é aplicável principalmente a inoxidáveis duplex e austeníticos; é de uso limitado para graus martensíticos porque Mo e N são tipicamente baixos ou ausentes.

Opções de proteção de superfície para ambos os graus quando a resistência à corrosão precisa ser aumentada: - Galvanização (para 410 em algumas formas) — mas galvanizar inoxidáveis é incomum e pode ser desnecessário para serviços típicos. - Pintura, revestimentos poliméricos ou revestimentos galvanizados (níquel/cromo) — amplamente utilizados para componentes onde a corrosão ou a aparência são importantes. - Tratamentos de passivação e controle cuidadoso dos ciclos de tratamento térmico/solda para evitar sensibilização.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Usinagem: Ambos devem ser usinados na condição macia/recozida para melhor vida útil da ferramenta. O maior carbono do 420 e a potencial maior dureza em algumas condições de produto requerem cuidado; variantes usináveis (por exemplo, 420 com enxofre controlado) melhoram a formação de cavacos.
• Formação e dobra: O 410, com menor carbono e maior ductilidade no estado recozido, é mais fácil de formar a frio e dobrar. O 420 precisa de parâmetros de formação mais agressivos ou deve ser formado na condição recozida, e o retorno pode ser maior após o revenimento.
• Desbaste, polimento e acabamento: O 420 é preferido para aplicações que requerem retenção de borda e uma borda de corte polida (talheres, lâminas) porque responde bem ao endurecimento e polimento; o 410 aceita polimento e acabamentos adequadamente, mas com menor dureza alcançável.

8. Aplicações Típicas

410 — Usos típicos	420 — Usos típicos
Fixadores, parafusos, eixos, componentes de válvulas, peças de bomba onde resistência moderada à corrosão e tenacidade são necessárias	Talheres, instrumentos cirúrgicos, lâminas, rolamentos, peças de desgaste, assentos de válvula onde maior dureza e retenção de borda são necessárias
Componentes estruturais em geração de energia, ambientes petroquímicos não severos	Ferramentas e componentes que requerem maior dureza de superfície ou resistência ao desgaste após endurecimento
Aço inoxidável martensítico de uso geral onde a facilidade de soldagem/fabricação é importante	Componentes que priorizam resistência ao desgaste e alta dureza; selecionados para acabamento/polimento

Racional de seleção: - Escolha 410 se a aplicação valoriza ductilidade, facilidade de soldagem/fabricação e resistência moderada à corrosão a um custo mais baixo. - Escolha 420 se a aplicação requer maior dureza endurecida e resistência ao desgaste (bordas, vedações, faces de desgaste) e o design pode tolerar tenacidade reduzida e controles de soldagem/tratamento térmico mais rigorosos.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O 410 é geralmente menos caro que o 420 em muitas formas de produto devido ao menor teor de carbono e uso mais amplo; variantes do 420 (especialmente graus de alto carbono ou “HC”) podem custar mais devido ao processamento para dureza aprimorada e acabamento específico.
• Disponibilidade: Ambos os graus estão amplamente disponíveis em formas comuns (barra, chapa, fita, forjados), embora variantes especiais do 420 (por exemplo, 420HC, 420J2) sejam frequentemente comercializadas para talheres e usos cirúrgicos. Os prazos de entrega são tipicamente curtos para produtos de usina padrão; especifique a variante exata (recozida, endurecível, sulfurosa para usinabilidade) cedo na aquisição para evitar substituições.

10. Resumo e Recomendação

Atributo	410	420
Soldabilidade	Melhor (menor carbono)	Mais desafiador (maior carbono)
Compromisso entre Resistência e Tenacidade	Tenacidade equilibrada com resistência moderada	Maior resistência/dureza alcançável, mas menor tenacidade
Custo	Geralmente menor	Geralmente maior para variantes de alto carbono/alta dureza

Conclusões: - Escolha 410 se você precisar de um aço inoxidável martensítico com ductilidade e tenacidade relativamente melhores, facilidade de fabricação e soldagem, e resistência moderada à corrosão — por exemplo, eixos, válvulas, fixadores e componentes onde soldabilidade e tenacidade são prioridades. - Escolha 420 se você precisar de maior dureza endurecida e resistência ao desgaste (bordas de corte, vedações, faces de desgaste, lâminas de precisão), e o design permitir controles de soldagem mais rigorosos e tratamento térmico pós-solda para mitigar riscos de fragilidade e corrosão.

Conselho prático final: especifique a condição exata do produto e o plano de tratamento térmico pós-fabricação nos documentos de aquisição (por exemplo, “420, temperado e revenido para X HRC com revenimento final a Y°C” ou “410, normalizado para melhorar a tenacidade”), e exija certificação química e mecânica para garantir que o grau selecionado atenda ao equilíbrio pretendido de dureza, tenacidade e desempenho à corrosão.