420 vs 440C – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
420 e 440C são dois aços inoxidáveis martensíticos amplamente utilizados que aparecem frequentemente em listas de compras para peças que requerem um equilíbrio entre dureza, resistência ao desgaste e desempenho à corrosão. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam um trade-off entre custo, usinabilidade e a capacidade de dureza/desgaste necessária para uma peça: a escolha certa depende das cargas de serviço, acabamento superficial e ambiente corrosivo esperado.
A principal distinção prática entre essas ligas é sua estratégia de liga: uma é um aço inoxidável martensítico de baixo carbono com cromo moderado que proporciona resistência à corrosão e tenacidade razoável; a outra é um aço inoxidável martensítico de alto carbono e alto cromo projetado para formar uma população significativa de carbonetos de cromo duros para resistência ao desgaste superior e dureza mais alta. Essa diferença impulsiona seu comportamento divergente de tratamento térmico, propriedades mecânicas, soldabilidade e domínios de aplicação.
1. Normas e Designações
- 420:
- Designações comuns: UNS S42000, EN X46Cr13 (ou X20Cr13 dependendo da variante), JIS SUS420J1 / SUS420J2.
- Normas típicas: ASTM A276 (barras de aço inoxidável, barras e formas), ASME, EN, JIS.
- Categoria: Aço inoxidável martensítico (aço para ferramentas/facas inoxidáveis).
- 440C:
- Designações comuns: UNS S44004, EN X105CrMo17 (histórico), JIS SUS440C.
- Normas típicas: AMS, ASTM A582 / A666 (algumas formas de produto), EN, JIS.
- Categoria: Aço inoxidável martensítico de alto carbono/aço para ferramentas.
420 é geralmente especificado onde resistência à corrosão moderada e dureza moderada são suficientes; 440C é especificado onde maior dureza, resistência ao desgaste e retenção de fio são necessárias.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | 420 (faixas típicas, % em peso) | 440C (faixas típicas, % em peso) |
|---|---|---|
| C (Carbono) | 0.15 – 0.40 | 0.95 – 1.20 |
| Mn (Manganês) | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| Si (Silício) | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P (Fósforo) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S (Enxofre) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (Cromo) | 12.0 – 14.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni (Níquel) | ≤ 0.60 | ≤ 0.50 |
| Mo (Molibdênio) | traço – ≤ 0.60 (variante) | traço – ≤ 0.75 (algumas especificações) |
| V, Nb, Ti, B, N | tipicamente traço/nenhum | tipicamente traço/nenhum |
Notas: - Os valores acima são faixas representativas de especificações comuns e fichas de dados de produtos; a composição exata depende do padrão e do produtor. - O conteúdo substancialmente mais alto de carbono e cromo de 440C promove uma fração de volume maior de carbonetos de cromo duros (principalmente tipos M23C6/M7C3 em microestruturas práticas), aumentando a resistência ao desgaste e a dureza alcançável. - O menor carbono de 420 produz menos carbonetos e uma matriz de martensita mais dúctil após têmpera e revenimento, melhorando a tenacidade e a usinabilidade em comparação com 440C.
Como a liga afeta o comportamento: - O carbono controla a endurecibilidade e a dureza máxima alcançável após têmpera/revenimento; maior carbono → maior dureza, mas reduzida tenacidade e soldabilidade. - O cromo fornece resistência à corrosão formando um filme de óxido passivo; maior Cr geralmente melhora a resistência, mas a precipitação pesada de carbonetos pode esgotar localmente o cromo da matriz. - Elementos de liga como Mo (quando presentes) podem melhorar a resistência à picotamento e a endurecibilidade; Mn e Si são elementos de processamento e desoxidação com efeitos microestruturais modestos.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Ambas as ligas são aços inoxidáveis martensíticos em condições comuns de tratamento térmico, mas suas microestruturas diferem significativamente:
- 420:
- Microestrutura após têmpera: predominantemente martensita com fração de volume de carbonetos relativamente baixa; os carbonetos são mais finos e menos numerosos.
- Tratamento térmico: austenitização (faixa típica ~980–1030 °C dependendo da especificação), têmpera (óleo/ar dependendo do tamanho da seção), revenimento para dureza requerida (revenimento entre ~150–600 °C). A dureza prática máxima é limitada pelo teor de carbono (geralmente até ~48–52 HRC para variantes de maior C).
-
Resposta: boa resposta a ciclos convencionais de têmpera e revenimento; fração de austenita retida mais baixa; o revenimento melhora a tenacidade.
-
440C:
- Microestrutura após têmpera: matriz martensítica com uma fração de volume significativa de carbonetos ricos em cromo. A distribuição de carbonetos é um grande contribuinte para a resistência ao desgaste.
- Tratamento térmico: austenitização tipicamente na faixa de ~1010–1070 °C, têmpera (óleo ou ar para seções pequenas), revenimento dependendo da dureza alvo. Tratamentos criogênicos são às vezes usados para reduzir a austenita retida e convertê-la em martensita, seguidos de revenimento a baixa temperatura para estabilizar a dureza.
- Resposta: alto carbono permite dureza muito alta após a têmpera, mas também aumenta o risco de distorção e trincas. O revenimento troca dureza por tenacidade; o revenimento ideal equilibra a dureza retida em relação ao risco de falha frágil.
A normalização, o revenimento repetido ou os tratamentos a subzero têm resultados diferentes: 440C se beneficia mais do controle de carbonetos e tratamentos criogênicos para maximizar a dureza e a estabilidade dimensional, enquanto 420 é mais tolerante em ciclos térmicos.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade | 420 (típico, dependente da condição) | 440C (típico, dependente da condição) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Moderada a alta após a têmpera; aumenta com maior C e fração de martensita | Geralmente maior resistência máxima à tração após a têmpera devido ao maior carbono |
| Resistência ao escoamento | Moderada; dependente do tratamento térmico | Maior quando totalmente endurecido |
| Alongamento (ductilidade) | Maior ductilidade (recozido ou revenido) — melhor conformabilidade | Menor alongamento quando endurecido; pode ser frágil se revenido em excesso |
| Tenacidade ao impacto | Melhor tenacidade em relação a 440C (mesmo intervalo de dureza) | Menor tenacidade devido à população de carbonetos e maior dureza |
| Dureza (HRC) | Tipicamente até ~48–52 HRC (variantes de maior C se aproximam da extremidade superior) | Tipicamente até ~58–64 HRC em condição devidamente endurecida e revenida |
Explicação qualitativa: - 440C atinge maior dureza e resistência ao desgaste porque seu maior carbono forma uma quantidade maior de carbonetos de cromo duros embutidos na matriz martensítica. Isso eleva a resistência à tração e compressão, mas reduz a tenacidade e a ductilidade. - 420, com menor carbono e menos carbonetos, oferece melhor tenacidade e usinabilidade, mas não pode igualar a retenção de fio ou resistência ao desgaste de 440C.
Nota: Números mecânicos exatos dependem fortemente da forma do produto (barra, chapa) e do tamanho da seção, além dos parâmetros de tratamento térmico precisos. As fichas de dados dos fornecedores devem ser consultadas para cálculos de design.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é influenciada principalmente pelo equivalente de carbono e pela endurecibilidade. Dois índices empíricos comuns:
-
Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm alemão: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - O teor de carbono significativamente mais alto e o cromo elevado de 440C aumentam $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$, indicando uma maior propensão a formar microestruturas martensíticas duras na zona afetada pelo calor (HAZ) e, portanto, um maior risco de trincas a frio e fragilização por hidrogênio. Pré-aquecimento, controle da entrada de calor, uso de consumíveis de baixo hidrogênio e tratamento térmico pós-solda (PWHT) são geralmente necessários para soldagem sem problemas de 440C. - 420, com menor carbono, tem melhor soldabilidade em comparação, mas ainda exige atenção: pré-aquecimento e revenimento pós-solda podem ser aconselhados para aplicações críticas para evitar HAZ martensítico duro e aliviar tensões residuais. - Na prática, ambas as ligas não são tão soldáveis quanto os aços inoxidáveis austeníticos; a soldagem é frequentemente evitada para componentes críticos de alta dureza 440C. A fabricação por usinagem a partir de barras é comum.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- 420:
- Com cromo em torno de 12–14%, 420 proporciona resistência moderada à corrosão em atmosferas brandas e a produtos químicos leves. É comumente utilizado em talheres e ambientes menos agressivos. O acabamento superficial (polimento, passivação) melhora a resistência à corrosão.
- Para ambientes agressivos ou marinhos, proteção adicional como revestimento, pintura ou especificação de um inoxidável de maior liga é recomendada.
- 440C:
- Maior cromo nominalmente melhora o potencial de resistência à corrosão, mas a alta fração de volume de carbonetos e a precipitação de carbonetos durante o tratamento térmico podem esgotar localmente o cromo na matriz e reduzir a resistência ao picotamento. Em ambientes neutros a levemente corrosivos, 440C apresenta desempenho adequado; em ambientes altamente corrosivos ou contendo cloretos, não é ideal sem proteção superficial.
- PREN (não costuma ser decisivo para essas ligas martensíticas, mas informativo para resistência ao picotamento): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Para 420 e 440C, os valores de PREN são modestos porque Mo e N são baixos ou ausentes; PREN é mais relevante para austeníticos/ferríticos inoxidáveis com Mo e N significativos.
- Opções de proteção superficial para ambientes de corrosão não adequados: níquel eletrolítico, revestimento de cromo, revestimentos PVD, passivação, pintura ou especificação de uma liga alternativa resistente à corrosão.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Usinabilidade:
- 420: mais fácil de usinar em condição recozida; variantes de maior carbono 420HC são mais desafiadoras, mas ainda mais fáceis que 440C. Um bom acabamento superficial é alcançável.
- 440C: mais difícil de usinar devido à alta dureza e carbonetos de cromo abrasivos; recomenda-se usinar em condição recozida mais suave e fazer o acabamento após a têmpera. O desgaste da ferramenta é maior; use ferramentas de carboneto, reduza as velocidades de avanço e utilize refrigerante.
- Conformabilidade e dobra:
- 420: melhor dobrabilidade e conformação em estado recozido; peças revenidas são menos dúcteis.
- 440C: conformação limitada após a têmpera; a prática típica é realizar a conformação e usinagem em condição recozida, depois tratar termicamente para a dureza final.
- Acabamento superficial:
- 440C pode ser polido para alto brilho, mas requer mais esforço de moagem/polimento após a têmpera. 420 polido é relativamente fácil e aceita bem a passivação.
8. Aplicações Típicas
| 420 — Usos Típicos | 440C — Usos Típicos |
|---|---|
| Talheres e facas de cozinha (nível básico a intermediário) | Talheres e facas de alta qualidade que requerem retenção de fio superior |
| Instrumentos cirúrgicos e ferramentas dentais (alguns tipos) | Partes de desgaste: esferas de válvula, assentos, rolamentos, buchas |
| Eixos, eixos de rotação, componentes de bomba em meios moderadamente corrosivos | Rolamentos de esferas de precisão, rolos, cames, placas de desgaste |
| Ferragens decorativas, fixadores, acabamentos | Ferramentas de corte e matrizes onde resistência à corrosão inoxidável e resistência ao desgaste são ambas necessárias |
Racional de seleção: - Escolha 420 para aplicações que priorizam resistência à corrosão e tenacidade a um custo mais baixo e quando dureza extrema não é necessária. - Escolha 440C para aplicações onde resistência ao desgaste, retenção de fio e a capacidade de alcançar dureza muito alta são requisitos primários, e onde o processamento pós-tratamento (moagem, polimento) é aceitável.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: 440C é tipicamente mais caro por quilograma do que 420 devido ao maior teor de liga, controle de processo mais rigoroso e demanda nos mercados de ferramentas/desgaste. Formas de produto especializadas (barras de precisão, estoque pré-endurecido) para 440C podem ter um prêmio adicional.
- Disponibilidade: Ambas as ligas estão amplamente disponíveis em barra, chapa e haste, mas as formas de produto diferem. 420 é ubíquo em talheres e mercados de inoxidáveis de uso geral. 440C está prontamente disponível em barra de precisão e estoque redondo para aplicações de ferramentas e rolamentos, mas é menos comum em tamanhos de chapa grandes.
- Dica de aquisição: Comprar em tamanhos de produto comuns e condições pré-endurecidas pode reduzir o tempo de entrega e o custo; tratamentos térmicos personalizados ou acabamentos adicionais (moagem/tratamentos criogênicos) aumentam o preço de compra e o tempo de entrega.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | 420 | 440C |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (menor C) — ainda requer controles | Pior (alto C & Cr) — pré-aquecimento/PWHT frequentemente necessário |
| Compromisso entre resistência e tenacidade | Melhor tenacidade a resistência moderada | Maior dureza máxima & resistência ao desgaste, menor tenacidade |
| Custo | Menor | Maior |
Recomendações: - Escolha 420 se: - Você precisa de resistência à corrosão moderada com tenacidade e usinabilidade razoáveis. - Custo, conformabilidade e fabricação/soldagem mais fáceis são prioridades. - A aplicação envolve desgaste moderado ou carga de impacto onde dureza extremamente alta não é necessária. - Escolha 440C se: - Dureza máxima, resistência ao desgaste e retenção de fio são críticos (camas de rolamento, assentos de válvula, facas de alta qualidade). - Você pode acomodar um tratamento térmico mais complexo, acabamento (moagem, polimento) e precauções de soldagem mais rigorosas ou prefere usinar a partir de estoque pré-endurecido. - O ambiente de serviço não é altamente corrosivo ou você planeja aplicar proteção superficial.
Nota final: Tanto 420 quanto 440C são opções úteis de aços inoxidáveis martensíticos; a escolha deve ser guiada pelo equilíbrio entre a dureza/resistência ao desgaste necessária versus tenacidade, facilidade de fabricação e ambiente corrosivo. Para componentes críticos, especifique a condição de tratamento térmico e solicite dados de teste mecânico do fornecedor para garantir que a microestrutura e as propriedades entregues atendam aos requisitos de design.