4Cr13 vs 9Cr18 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
4Cr13 e 9Cr18 são duas ligas de aço inoxidável martensítico amplamente utilizadas na prática chinesa e internacional. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente enfrentam um dilema de seleção entre elas: equilibrar resistência ao desgaste e retenção de fio (aços de alto carbono e alto cromo) contra custo, tenacidade e facilidade de fabricação (martensíticos de baixo carbono). Os contextos típicos de decisão incluem componentes de facas e ferramentas, partes de válvulas e bombas, componentes de desgaste para equipamentos industriais e aplicações onde resistência à corrosão controlada é necessária com superfícies endurecidas.
A principal diferença técnica é que 9Cr18 é um aço inoxidável martensítico de maior carbono e maior cromo otimizado para dureza e resistência ao desgaste, enquanto 4Cr13 é um aço inoxidável martensítico de baixo carbono que troca alguma resistência ao desgaste por melhor tenacidade, soldabilidade e menor custo de material. Essas características impulsionam a comparação comum em design e fabricação, particularmente onde o desgaste da superfície, a retenção de fio e a resistência moderada à corrosão estão em conflito com os requisitos de conformação, união e impacto.
1. Normas e Designações
- Normas comuns e equivalentes referenciados no comércio internacional e na documentação de engenharia:
- GB/T (China): 4Cr13, 9Cr18 (designações de grau chinês)
- JIS/AISI/SAE: 4Cr13 é frequentemente considerado semelhante à família AISI 420/420J2; 9Cr18 é frequentemente comparado ao AISI 440C/9Cr (aço inoxidável martensítico de alto carbono) em função, embora as composições exatas diferem por norma.
- EN/ASTM: Nenhum nome EN ou ASTM direto se encaixa perfeitamente; a equivalência é geralmente tratada por meio da correspondência de requisitos químicos e mecânicos em vez de designação exata.
- Classificação:
- 4Cr13: Aço inoxidável martensítico (ferramenta estrutural/inoxidável martensítico)
- 9Cr18: Aço inoxidável martensítico de alto carbono (ferramenta resistente ao desgaste/inoxidável martensítico)
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir mostra as faixas de composição nominal típicas usadas em folhas de especificação e dados de fornecedores para esses graus. Os valores são indicativos e variarão de acordo com a norma ou fornecedor exato; verifique a especificação de compra para limites sensíveis ao contrato.
| Elemento | Faixa típica — 4Cr13 (nominal) | Faixa típica — 9Cr18 (nominal) |
|---|---|---|
| C | 0.30–0.45 wt% | 0.80–1.05 wt% |
| Mn | ≤ 1.0–1.2 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| P | ≤ 0.03–0.04 wt% | ≤ 0.03–0.04 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | 12–14 wt% | 17–19 wt% |
| Ni | geralmente traço | geralmente traço |
| Mo | geralmente traço/nenhum | geralmente traço/nenhum |
| V, Nb, Ti, B, N | geralmente não intencionalmente ligado; pequenos resíduos possíveis | geralmente não intencionalmente ligado; pequenos resíduos possíveis |
Estratégia de liga e efeitos: - Carbono: Elemento primário de endurecimento e formação de martensita. O maior carbono em 9Cr18 aumenta a dureza, resistência ao desgaste e fração de volume de carbonetos alcançáveis; também aumenta a suscetibilidade ao comportamento quebradiço e trincas de solda sem controle cuidadoso. - Cromo: Proporciona resistência à corrosão e contribui para a capacidade de endurecimento. O maior teor de cromo de 9Cr18 melhora a resistência geral à corrosão em relação ao 4Cr13 e apoia a formação de carbonetos mais duros ricos em cromo, aumentando a resistência ao desgaste. - Manganês e silício: Desoxidantes e estabilizadores de austenita em pequenas quantidades; maior Mn aumenta modestamente a capacidade de endurecimento. - Elementos de impureza (P, S): Mantidos baixos para preservar a tenacidade e evitar a fragilização; S pode ser intencionalmente aumentado ligeiramente em variantes de usinagem livre, mas os típicos 4Cr13/9Cr18 não são tipos de alto sulfeto.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
As microestruturas típicas para ambos os graus são martensíticas após a austenitização e resfriamento apropriados, mas a distribuição de carbonetos e o teor de carbono da matriz diferem substancialmente.
- 4Cr13:
- Após tratamento de solução e resfriamento, uma matriz predominantemente martensítica com volume de carbonetos retidos relativamente baixo. Os carbonetos são geralmente menores e mais dispersos devido ao menor teor de carbono.
- A têmpera reduz a fragilidade e produz martensita temperada; a dureza alcançável é moderada e pode ser ajustada para um equilíbrio de tenacidade e resistência.
-
A normalização proporciona uma estrutura mais uniforme para usinagem ou acabamento subsequente.
-
9Cr18:
- Após austenitização e resfriamento, a martensita com uma fração maior de carbonetos de cromo (M23C6 e outros carbonetos ricos em Cr) é típica devido ao alto carbono e alto cromo. Redes de carbonetos ou partículas maiores aumentam a resistência ao desgaste, mas reduzem a tenacidade.
- A têmpera reduz tensões internas e ajusta a dureza, mas a super-tempera pode amolecer os carbonetos e reduzir a resistência ao desgaste.
- Alcançar propriedades ótimas requer controle mais rigoroso da temperatura e do tempo de austenitização para controlar a dissolução e distribuição de carbonetos.
Efeitos de processamento: - A normalização/refinamento do tamanho do grão é útil para ambos os graus antes do tratamento térmico final. - O meio de resfriamento, a espessura da seção e a temperatura de austenitização influenciam fortemente a austenita retida e a dureza—particularmente crítico em 9Cr18 devido à alta capacidade de endurecimento. - Tratamentos criogênicos são às vezes usados em aços inoxidáveis martensíticos de alto carbono (como análogos de 9Cr18) para reduzir a austenita retida e estabilizar a dureza.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas relatadas dependem fortemente do tratamento térmico, temperatura de têmpera e forma do produto. A tabela a seguir fornece faixas indicativas para condições tratadas termicamente comumente especificadas (resfriadas e temperadas). Os valores são ilustrativos; especifique requisitos exatos de propriedades pós-tratamento térmico nos documentos de aquisição.
| Propriedade | 4Cr13 — típico (resfriado & temperado) | 9Cr18 — típico (resfriado & temperado) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~600–1200 MPa (dependente da condição) | ~800–1600 MPa (dependente da condição) |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa) | ~400–900 MPa | ~600–1400 MPa |
| Alongamento (%) | ~8–20% | ~5–15% |
| Tenacidade ao impacto (J, entalhado) | Moderada; maior que 9Cr18 para dureza comparável | Menor, particularmente em altos níveis de dureza |
| Dureza (HRC) | ~40–56 HRC (dependendo da têmpera) | ~55–64 HRC (dureza alcançável mais alta) |
Interpretação: - Resistência e dureza: 9Cr18 pode ser endurecido para níveis de dureza e tração mais altos devido ao seu maior carbono e carbonetos abrasivos de cromo; portanto, é superior para componentes críticos de desgaste. - Tenacidade e ductilidade: 4Cr13 geralmente proporciona melhor tenacidade e alongamento em um determinado nível de dureza devido ao menor carbono e menor teor de carbonetos. - O compromisso é clássico: 9Cr18 favorece resistência ao desgaste/retenção de fio; 4Cr13 favorece tenacidade e facilidade de pós-processamento.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é governada pelo equivalente de carbono e conteúdo de liga que promovem a capacidade de endurecimento e formação de martensita na zona afetada pelo calor (HAZ). Duas expressões preditivas comumente usadas são:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
e
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - O alto carbono e o elevado cromo de 9Cr18 resultam em um maior equivalente de carbono e $P_{cm}$, indicando uma maior propensão a trincas a frio, uma HAZ martensítica dura e a necessidade de pré-aquecimento, temperatura de interpassagem controlada e tratamento térmico pós-solda para temperar a martensita da HAZ. - 4Cr13, com menor carbono, geralmente apresenta menor CE e melhor soldabilidade; no entanto, ainda é um aço inoxidável martensítico e pode exigir pré-aquecimento e têmpera após a soldagem em seções mais espessas para evitar trincas na HAZ. O uso de eletrodos de baixo hidrogênio e controle de entrada de calor é aconselhável para ambos os graus.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto 4Cr13 quanto 9Cr18 são classificados como aços inoxidáveis martensíticos e obtêm sua resistência à corrosão principalmente do teor de cromo. Eles não são tão resistentes à corrosão quanto os aços inoxidáveis austeníticos (por exemplo, 304/316) ou graus duplex em ambientes ricos em cloreto ou altamente oxidantes.
- PREN (Número Equivalente de Resistência à Fissuração) é frequentemente usado para comparar a resistência à corrosão localizada:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Para esses graus, Mo e N estão tipicamente ausentes ou baixos, então o PREN é impulsionado principalmente pelo Cr. O maior cromo de 9Cr18 nominalmente resulta em um PREN mais alto do que 4Cr13, implicando uma resistência à fissuração um pouco melhor em ambientes neutros a levemente corrosivos. No entanto, nenhum dos graus é projetado para serviço marinho severo ou em cloreto sem proteção de superfície.
- Quando a resistência à corrosão é insuficiente, a proteção de superfície convencional se aplica:
- Passivação (ácido nítrico ou cítrico) para restaurar o filme passivo após a usinagem.
- Revestimentos como eletrodeposição ou PVD para superfícies de deslizamento/desgaste, ou tintas protetoras, onde apropriado.
- A galvanização geralmente não é aplicada a substratos inoxidáveis para melhoria da corrosão e pode não aderir bem; o acabamento de superfície e a passivação são preferidos.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Usinabilidade:
- 4Cr13 geralmente é mais fácil de usinar do que 9Cr18 devido à menor dureza em condições de recozimento/normatização e menor teor de carbonetos. Variantes de usinagem livre podem estar disponíveis, mas o 4Cr13 padrão não é uma liga de usinagem livre.
- 9Cr18, com maior carbono e carbonetos duros, aumenta o desgaste da ferramenta e pode exigir ferramentas de carboneto, velocidades mais lentas e estratégias controladas de formação de aparas.
- Conformabilidade:
- Ambos são aços inoxidáveis martensíticos e têm conformabilidade a frio limitada em condições endurecidas. A conformação é mais fácil em condições de recozimento ou normalização antes do resfriamento final e têmpera.
- Acabamento de superfície:
- Polimento e moagem são comuns para ambos; 9Cr18 geralmente requer abrasivos mais agressivos e considerações de vida útil da ferramenta.
8. Aplicações Típicas
| 4Cr13 — Usos comuns | 9Cr18 — Usos comuns |
|---|---|
| Lâminas de faca onde boa tenacidade e resistência à corrosão razoável são necessárias (lâminas de custo mais baixo, facas utilitárias) | Lâminas de faca e talheres que requerem maior retenção de fio e resistência ao desgaste (lâminas de alta retenção de fio) |
| Componentes de válvula, eixos de bomba e hardware que requerem resistência moderada à corrosão com boa tenacidade | Componentes de rolamento e peças de desgaste onde alta dureza e resistência à abrasão são necessárias |
| Partes endurecidas de uso geral (acoplamentos, pequenos componentes estruturais) | Instrumentos médicos e cirúrgicos (limitados a certos instrumentos onde alta dureza é necessária e a passivação da superfície é aplicada) |
| Componentes decorativos e de engenharia onde acabamento pós-processo e soldagem são necessários | Ferramentas para trabalho a frio e pequenos componentes de ferramentas com altas demandas de desgaste |
Racional de seleção: - Escolha 4Cr13 para peças que requerem uma mistura de tenacidade, resistência à corrosão razoável e menor custo, ou onde soldagem e conformação são frequentes. - Escolha 9Cr18 para peças que priorizam dureza, resistência à abrasão e retenção de fio, aceitando maior custo de usinagem e controles de tratamento térmico/solda mais rigorosos.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo:
- 9Cr18 é tipicamente mais caro por quilograma do que 4Cr13 devido ao maior teor de cromo e carbono e tratamento térmico mais exigente para alcançar alta dureza.
- Os custos de processamento (endurecimento, moagem, desgaste de ferramentas) para 9Cr18 também são mais altos.
- Disponibilidade:
- Ambos os graus estão amplamente disponíveis em formas de produto comuns (barra, chapa, fita, placa, forjados), mas tamanhos específicos, acabamentos de superfície e barras de estoque tratadas termicamente com tolerâncias apertadas podem ser menos comuns para 9Cr18 e estocadas mais em fornecedores especializados.
- Para aquisição em alto volume, variantes de 4Cr13 são geralmente mais fáceis de obter de vários moinhos; 9Cr18 pode exigir trabalhar com fornecedores especializados de aço inoxidável para certas formas de produto.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Atributo | 4Cr13 | 9Cr18 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa a moderada; menor risco do que 9Cr18 | Moderada a pobre; maiores necessidades de pré-aquecimento e PWHT |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Resistência moderada; melhor tenacidade e ductilidade | Maior resistência e dureza; tenacidade reduzida |
| Custo | Menor custo de material e processamento | Maior custo de material e processamento |
Recomendações: - Escolha 4Cr13 se: - Você precisa de um aço inoxidável martensítico razoavelmente resistente à corrosão com melhor tenacidade e menor custo total. - Soldagem, conformação ou trabalho pós-fabricação são frequentes ou críticos. - A condição de serviço inclui carregamento de impacto moderado ou onde falhas quebradiças catastróficas seriam inaceitáveis.
- Escolha 9Cr18 se:
- Alta dureza, resistência ao desgaste e retenção de fio são os principais motores de design.
- Você pode controlar o tratamento térmico, processos de usinagem e procedimentos de soldagem (ou evitar soldagem por design).
- A aplicação tolera menor tenacidade ao impacto e maior custo de processamento em benefício de maior vida útil de desgaste ou melhor desempenho de corte.
Nota final: Ambos os graus são aços inoxidáveis martensíticos e seu desempenho em serviço depende fortemente da composição precisa, espessura da seção e tratamento térmico cuidadosamente controlado. Para especificações de aquisição e engenharia, defina explicitamente os requisitos de dureza/tenacidade, requisitos de tratamento térmico pós-solda e expectativas de corrosão para garantir que os fornecedores entreguem material condicionado para a aplicação pretendida.