45# vs 55# – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente devem escolher entre aços de carbono médio onde um equilíbrio de resistência, tenacidade, custo e fabricabilidade é necessário. Duas classificações comumente consideradas nesse domínio são as designações chinesas 45# e 55# (correspondendo aproximadamente a aços com teores nominais de carbono de cerca de 0,45% e 0,55%, respectivamente). Os contextos típicos de decisão incluem o design de eixos e eixos, forjados e peças estampadas, componentes tratados termicamente e situações onde a soldabilidade deve ser equilibrada com resistência e resistência ao desgaste.
A principal distinção prática entre essas duas classificações é que o maior teor de carbono em 55# geralmente produz maior resistência e endurecibilidade alcançáveis à custa de ductilidade e soldabilidade. Essa troca é a razão pela qual os projetistas comparam essas classificações ao especificar componentes que requerem maior endurecimento total ou dureza superficial em comparação com componentes que priorizam tenacidade, conformação e facilidade de união.
1. Normas e Designações
- GB/T (China): 45# e 55# são classificações comuns de aço carbono simples na GB/T 699 e normas relacionadas para aços estruturais de carbono e aços de carbono médio.
- Equivalentes AISI/SAE (aproximados): 45# ≈ AISI/SAE 1045; 55# ≈ AISI/SAE 1055 (nominalmente).
- EN (Europeu): Essas classificações pertencem à família de aços carbono não-ligados (por exemplo, família C45 na EN 10083) em vez de classes de ligas, ferramentas, inoxidáveis ou HSLA.
- Classificação: Ambos são aços carbono simples (não inoxidáveis, não HSLA, não aço para ferramentas). Eles são tipicamente tratados como aços de carbono médio adequados para têmpera e revenimento ou endurecimento superficial.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | 45# típico (wt%) | 55# típico (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0,42 – 0,50 | 0,52 – 0,60 |
| Mn | 0,50 – 0,80 | 0,50 – 0,90 |
| Si | ≤ 0,40 | ≤ 0,40 |
| P | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 |
| S | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 |
| Cr | ≤ 0,25 (traço) | ≤ 0,30 (traço) |
| Ni | ≤ 0,30 (traço) | ≤ 0,30 (traço) |
| Mo | ≤ 0,08 (traço) | ≤ 0,08 (traço) |
| V, Nb, Ti, B, N | tipicamente apenas níveis de traço/ppm, a menos que microaleados | tipicamente apenas níveis de traço/ppm, a menos que microaleados |
Notas: - As faixas de composição acima são representativas para as classificações comerciais comuns 45# e 55#; os limites exatos dependem da norma nacional específica e do produtor. - Ambas as classificações são principalmente reforçadas por carbono. Pequenas quantidades de Mn e Si estão presentes para desoxidação e reforço; outros elementos estão tipicamente em níveis de traço, a menos que o aço seja intencionalmente microaleado. - Estratégia de liga: aumentar o carbono eleva a resistência, dureza e endurecibilidade (capacidade de formar martensita através de seções mais espessas). O manganês contribui para a resistência à tração e endurecibilidade e ajuda na desoxidação; o silício ajuda principalmente na resistência e retorno elástico, mas em pequenas quantidades.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Condição como laminado ou recozido:
- Ambas as classificações geralmente mostram uma microestrutura de ferrita + perlita. 55# terá uma maior fração de volume de perlita devido ao maior teor de carbono, produzindo maior dureza e resistência como entregue, mas menor ductilidade.
- Normalização:
- A normalização refina o tamanho do grão e produz uma estrutura perlítica/ferrítica mais uniforme; ambas as classificações respondem bem, com 55# mantendo maior resistência.
- Endurecimento e revenimento (Q&T):
- O endurecimento para formar martensita e o subsequente revenimento é o caminho padrão para alcançar combinações de alta resistência e tenacidade em ambas as classificações.
- 55# atinge maior dureza como endurecido e endurecimento mais profundo para uma determinada severidade de resfriamento devido ao maior teor de carbono (e frequentemente um pouco mais de Mn), mas é mais propenso a trincas induzidas por resfriamento e requer revenimento cuidadoso para recuperar a tenacidade.
- Processamento termo-mecânico:
- A forja e a laminação controlada podem refinar a microestrutura e melhorar a tenacidade para ambas as classificações; a microaleação (V, Nb, Ti) mudaria a resposta significativamente se presente.
- Endurecibilidade:
- A endurecibilidade é uma função do carbono e da liga; com maior carbono e Mn, 55# geralmente tem maior endurecibilidade do que 45#, permitindo microestruturas mais duras em seções transversais maiores.
4. Propriedades Mecânicas
A tabela mostra faixas típicas de propriedades mecânicas. Os valores dependem fortemente da composição nominal, tamanho da seção e tratamento térmico.
| Propriedade (faixas típicas) | 45# (normalizado / Q&T típico) | 55# (normalizado / Q&T típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | Normalizado: 550 – 700; Q&T: 700 – 1000+ | Normalizado: 650 – 820; Q&T: 800 – 1100+ |
| Resistência ao escoamento (0,2% offset, MPa) | Normalizado: 320 – 430; Q&T: 500 – 900 | Normalizado: 420 – 620; Q&T: 600 – 1000 |
| Alongamento (A%) | Normalizado: 12 – 18%; Q&T: 8 – 16% | Normalizado: 8 – 14%; Q&T: 6 – 12% |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, temperatura ambiente, J) | Variável: 25 – 60 J (dependente da seção) | Variável: 15 – 45 J (dependente da seção) |
| Dureza (HB) | Normalizado: ~160 – 210 HB; Q&T: ~200 – 320 HB | Normalizado: ~190 – 240 HB; Q&T: ~240 – 350 HB |
Interpretação: - Resistência: 55# pode atingir maiores resistências última e de escoamento em condições equivalentes devido ao maior teor de carbono (e maiores frações de perlita/martensita). - Tenacidade e ductilidade: 45# é geralmente mais dúctil e tenaz no estado normalizado e é menos provável de sofrer embrittlement após endurecimento e revenimento—especialmente para seções maiores ou revenimento inadequado. - Dureza: 55# geralmente produzirá valores de dureza mais altos tanto nas condições como entregue quanto tratadas termicamente. - Todos os valores dependem do tratamento térmico (severidade do resfriamento, temperatura/tempo de revenimento), seção transversal e química específica.
5. Soldabilidade
- O teor de carbono e a endurecibilidade são os principais fatores que influenciam a soldabilidade em aços carbono simples. Maior carbono e maior endurecibilidade aumentam o risco de formação de martensita dura e quebradiça na zona afetada pelo calor (HAZ), causando trincas a frio, a menos que pré-aquecimento/pós-aquecimento e materiais de enchimento apropriados sejam usados.
- Índices preditivos comuns:
- Instituto Internacional de Soldagem equivalente de carbono: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Dearden–O’Neill (Pcm) para seleção de consumíveis: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretação qualitativa:
- 55# registrará um equivalente de carbono mais alto do que 45# principalmente devido ao maior teor de carbono (e potencialmente um pouco mais de Mn), portanto 55# é menos soldável sem pré-aquecimento ou tratamento térmico pós-solda (PWHT).
- Para estruturas soldadas críticas, selecione consumíveis de baixo hidrogênio, imponha pré-aquecimento, controle a temperatura entre passes e considere PWHT para 55# para evitar trincas na HAZ.
- 45# é mais fácil de unir e em muitas aplicações de oficina pode ser soldado com pré-aquecimento moderado e consumíveis padrão.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- Tanto 45# quanto 55# são aços carbono não inoxidáveis; a resistência intrínseca à corrosão é baixa.
- Estratégias típicas de proteção:
- Galvanização a quente para proteção ao ar livre/atmosférica.
- Revestimentos orgânicos (epóxi, poliuretano) ou tintas para ambientes leves.
- Tratamentos de superfície, como fosfatização ou lubrificação, para peças internas não críticas.
- Para superfícies de desgaste ou deslizamento, pode-se aplicar revestimento duro ou endurecimento superficial (carbonetação/nitratação seguida de acabamento)—a carbonetação pode ser usada para 45# mas é menos comum para 55# devido ao teor de carbono já mais alto.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) é relevante apenas para aços inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN não é aplicável a aços carbono simples como 45# e 55#.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- Maior carbono em 55# aumenta o desgaste da ferramenta e reduz a maquinabilidade em relação a 45#. Onde a velocidade de usinagem e a vida útil da ferramenta são críticas, 45# é mais favorável.
- A dureza tratada termicamente reduz ainda mais a maquinabilidade; considere corte interrompido e ferramentas apropriadas para condições endurecidas.
- Formabilidade e trabalho a frio:
- 45# tem melhor formabilidade a frio, características de dobra e estiramento devido à menor endurecibilidade e maior ductilidade.
- 55# é mais propenso a trincas durante a conformação e requer menor deformação de conformação ou métodos de conformação a temperaturas elevadas.
- Desbaste, perfuração e acabamento:
- Ambos podem ser acabados com altas tolerâncias, mas os parâmetros de corte ideais dependem da dureza final. Os custos de acabamento de superfície aumentam com a dureza (peças de 55# tratadas termicamente custam mais para serem acabadas).
- Restrições de tratamento térmico:
- 55# requer controle de resfriamento e regimes de revenimento mais cuidadosos para evitar distorção/trincas em forjados e seções grandes.
8. Aplicações Típicas
| 45# (Usos Típicos) | 55# (Usos Típicos) |
|---|---|
| Eixos, eixos (cargas moderadas), virabrequins (quando forjados/revenidos), acoplamentos, peças mecânicas gerais que requerem boa maquinabilidade e resistência razoável | Eixos de maior resistência, pinos, alguns tipos de blanks de engrenagem, peças de desgaste, componentes que requerem maior endurecimento total ou maior dureza de serviço |
| Componentes forjados e usinados que serão normalizados ou Q&T para resistência moderada e boa tenacidade | Componentes destinados a maior dureza após resfriamento e revenimento, incluindo algumas peças agrícolas e de construção |
| Peças conformadas a frio onde ductilidade e dobra são necessárias | Peças sujeitas a maiores tensões de contato ou onde maior resistência estática/resistência ao desgaste é priorizada |
Racional de seleção: - Escolha 45# onde a facilidade de fabricação, soldabilidade e tenacidade são prioridades e os tamanhos das seções são moderados. - Escolha 55# onde maior resistência ou endurecimento mais profundo é necessário, e o processo de produção pode gerenciar os requisitos mais rigorosos de tratamento térmico, soldagem e usinagem.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo:
- Ambas as classificações são aços carbono simples de mercadoria. 45# é tipicamente um pouco mais barato devido ao uso mais amplo e teor de carbono ligeiramente mais baixo (e, portanto, processamento mais fácil).
- 55# pode ser marginalmente mais caro devido ao maior teor de carbono e potencialmente controle de qualidade mais rigoroso para aplicações de tratamento térmico.
- Disponibilidade:
- 45# é extremamente comum em barras, chapas e estoques de forjamento. 55# também está amplamente disponível, mas é menos ubíquo do que 45# em alguns mercados e formas de produto.
- Os prazos de entrega para peças 55# tratadas termicamente, tratadas superficialmente ou de seção transversal grande podem ser mais longos devido ao cuidado no processo (programas de pré-aquecimento, revenimento, resfriamento controlado).
10. Resumo e Recomendação
| Critério | 45# | 55# |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (CE mais baixo) | Menor (CE mais alto; requer pré-aquecimento/PWHT) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Boa tenacidade com resistência moderada | Maior resistência alcançável, menor ductilidade se não revenido corretamente |
| Custo | Levemente mais baixo, mais disponível | Levemente mais alto, pode precisar de controles de tratamento térmico mais rigorosos |
Escolha 45# se: - O design enfatiza ductilidade, tenacidade ao impacto, maquinabilidade ou soldagem frequente. - As peças têm seção transversal média e requerem produção econômica e ampla disponibilidade. - Você deseja uma janela de tratamento térmico mais tolerante e manuseio mais fácil no chão de fábrica.
Escolha 55# se: - Maior dureza como entregue, maiores resistências à tração e ao escoamento alcançáveis, ou melhor endurecimento total de seções mais espessas é necessário. - O plano de fabricação inclui resfriamento e revenimento controlados, ou endurecimento superficial onde o carbono base é vantajoso. - Você aceita precauções adicionais de soldagem e usinagem e possivelmente um pequeno prêmio no custo de material e processamento.
Nota final: a especificação deve considerar geometria, tratamento térmico pretendido, acabamento superficial requerido, requisitos de solda e cargas em serviço. Em caso de dúvida, solicite amostras de cupons de teste tratados termicamente ou realize um teste de dureza/tenacidade em seções representativas antes de comprometer uma produção em larga escala.