51CrV4 vs 60SiCr7 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
Compartilhar
Table Of Content
Table Of Content
Introdução
51CrV4 e 60SiCr7 são dois aços liga comumente especificados na prática europeia usados onde alta resistência, resistência à fadiga e resistência ao desgaste são necessárias—aplicações típicas incluem eixos, eixos, molas e componentes de máquinas temperados. Engenheiros e gerentes de compras devem pesar as compensações, como resistência alcançável versus tenacidade, complexidade do tratamento térmico, usinabilidade e custo ao selecionar entre eles.
A principal distinção técnica é que 51CrV4 é um aço de carbono médio microligado com cromo-vanádio projetado para um perfil equilibrado de resistência-tenacidade após têmpera e revenimento, enquanto 60SiCr7 é um aço de mola de silício-cromo de carbono mais elevado otimizado para alta temperabilidade e propriedades elásticas após tratamento térmico controlado. Essas diferenças influenciam a escolha onde a capacidade de carga estática, a vida útil à fadiga ou o comportamento da mola dominam os requisitos de projeto.
1. Normas e Designações
- 51CrV4 — Comumente encontrado sob designações europeias/DIN (EN / DIN); números legados típicos incluem 1.8159 / 51CrV4. Classificado como um aço de carbono médio ligado (microligado) para aplicações estruturais e de eixo tratáveis por calor.
- 60SiCr7 — Aparece em algumas listas de aços de mola europeus; classificado como um aço de mola de silício-cromo de alto carbono destinado a molas e componentes de alta resistência e alta elasticidade.
Nota: Nenhuma das classificações é inoxidável. Graus equivalentes ou similares podem aparecer em normas nacionais (JIS, GB, equivalentes ASTM variam); sempre confirme os certificados do fornecedor e a designação exata da norma para testes de aceitação.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: intervalos de composição típica (massa %) conforme fornecido por normas e folhas de dados comuns de usinas. Estes são intervalos típicos—consulte os certificados da usina para o material real.
| Elemento | 51CrV4 (intervalo típico) | 60SiCr7 (intervalo típico) |
|---|---|---|
| C | 0.47–0.55 | 0.56–0.64 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.15–0.40 | 0.80–1.20 |
| P | ≤ 0.025–0.035 | ≤ 0.025–0.035 |
| S | ≤ 0.025–0.035 | ≤ 0.025–0.035 |
| Cr | 0.80–1.20 | 0.50–0.90 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
| V | 0.05–0.12 | ≤ 0.05 (geralmente nenhum) |
| Nb | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | – | – |
Explicação: - 51CrV4 utiliza carbono moderado mais Cr e microligação com V para refinar o tamanho do grão, aumentar a temperabilidade e melhorar a resistência ao revenimento. O vanádio forma carbonetos/nitretos que fortalecem a martensita temperada e melhoram o desempenho à fadiga. - 60SiCr7 utiliza carbono mais elevado com silício elevado (desoxidação e fortalecimento) e cromo para controlar a temperabilidade e a resistência ao revenimento; sua química é ajustada para propriedades de mola (limite elástico, fadiga) mais do que para tenacidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - 51CrV4 laminado/normatizado: ferrita + perlita com fina dispersão de carbonetos/nitretos de V; modesta refinação de grão devido ao V. - 60SiCr7 laminado/normatizado: estrutura relativamente perlítica/ferrítica com maior fração de perlita devido ao aumento de carbono e silício; perlita mais fina se processada termomecanicamente.
Resposta ao tratamento térmico: - 51CrV4: responde bem à têmpera e revenimento (austenitização, têmpera em óleo/água dependendo da seção, depois revenimento). A têmpera produz martensita temperada; o V retarda o crescimento dos carbonetos e melhora a resistência ao revenimento, permitindo alta resistência com tenacidade retida. A normalização melhora a usinabilidade e refina a microestrutura antes do revenimento final. - 60SiCr7: tipicamente endurece mais facilmente devido ao maior carbono e Si. Para aplicações de mola, geralmente é endurecido e revenido para alcançar alta resistência ao escoamento e elasticidade apropriada (temperatura e tempo de revenimento críticos para definir o comportamento de relaxamento). O risco de fragilidade após revenimento superficial é maior; ciclos de revenimento cuidadosos são necessários para equilibrar resiliência e tenacidade.
Tratamentos termomecânicos (laminação controlada + resfriamento acelerado) podem aumentar a resistência e tenacidade para ambas as classificações, mas o 51CrV4 microligado se beneficia mais do fortalecimento por precipitação.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas são altamente dependentes do tratamento térmico. Intervalos típicos para condições de têmpera e revenimento ou tratamento térmico de mola:
| Propriedade | 51CrV4 (têmpera & revenido) | 60SiCr7 (endurecido/revenido para mola) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 700–1100 | 800–1500 |
| Resistência ao escoamento (0.2% prova, MPa) | 550–900 | 700–1400 |
| Alongamento (%) | 10–18 | 6–15 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, J) | moderada a boa (por exemplo, 30–80 J dependendo da seção/revenimento) | mais baixa, variável — aços de mola geralmente comprometem o impacto para maior resistência |
| Dureza (HRC) | ~20–40 (dependendo do revenimento) | ~28–55 (dependendo do revenimento) |
Interpretação: - 60SiCr7 pode alcançar maiores resistências última e ao escoamento devido ao maior carbono e à capacidade de formar martensita temperada de alta resistência, razão pela qual é preferido para molas e fios. - 51CrV4 oferece um melhor equilíbrio entre resistência e tenacidade; a presença de V e carbono moderado resulta em melhor ductilidade e resistência ao impacto em níveis de revenimento comparáveis. - A escolha depende se o projeto favorece o limite elástico máximo (60SiCr7) ou a combinação de resistência e tenacidade (51CrV4).
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade dependem do teor de carbono, elementos de temperabilidade e presença de microligação.
Índices de soldabilidade chave (uso qualitativo apenas): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ - Pcm (mais conservador): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - 60SiCr7 tem maior carbono e silício; isso eleva os valores de equivalente de carbono e aumenta o risco de trincas a frio na HAZ da solda e a propensão a formar martensita dura. Pré-aquecimento e tratamento térmico pós-solda controlado (PWHT) são frequentemente necessários. - 51CrV4, com menor carbono e microligação, geralmente apresenta melhor soldabilidade do que 60SiCr7, mas ainda pode exigir pré-aquecimento e revenimento após a soldagem quando em condição de têmpera & revenido. O vanádio e o cromo aumentam a temperabilidade, portanto, os procedimentos de soldagem ainda devem considerar o tamanho da seção e a restrição. - Ambos os aços não são tão soldáveis quanto os aços de baixo carbono; procedimentos de soldagem qualificados e controle de hidrogênio são importantes.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos aços 51CrV4 ou 60SiCr7 é aço inoxidável resistente à corrosão. A proteção contra corrosão é alcançada por meio de revestimentos e tratamentos de superfície:
- Galvanização, eletrodeposição, revestimentos de conversão de fosfato, sistemas de pintura e revestimentos orgânicos são comuns.
- Margem de corrosão e projeto para drenagem podem ser importantes para uma longa vida útil.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis. Para referência, PREN é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Para componentes expostos a ambientes agressivos, considere aço inoxidável ou aplique tratamentos de superfície robustos.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- 51CrV4 em condição normalizada usina razoavelmente bem; após a têmpera, a usinagem é mais difícil. A microligação com V pode aumentar modestamente o desgaste da ferramenta.
- 60SiCr7 tem maior dureza após o tratamento térmico; a usinagem em condição endurecida é desafiadora e frequentemente requer retificação ou EDM. No estado recozido/normatizado, a usinabilidade é moderada, mas o silício pode aumentar o desgaste da ferramenta.
- Formabilidade:
- 51CrV4 oferece melhor ductilidade em estado recozido ou normalizado e pode ser formado a frio em uma extensão limitada; evite a formação em condição endurecida.
- 60SiCr7 é menos formável devido ao maior carbono e é projetado principalmente para formação de molas onde o trabalho a frio controlado é aceitável (fabricantes de fios/molde usam processos especializados).
- Manuseio do tratamento térmico:
- Ambos requerem controle cuidadoso para evitar descarbonização e alcançar as propriedades mecânicas desejadas. Retificação e jateamento são etapas comuns de acabamento.
8. Aplicações Típicas
| 51CrV4 | 60SiCr7 |
|---|---|
| Eixos, eixos, componentes forjados, fixadores de alta resistência, peças de máquinas temperadas onde a tenacidade é necessária | Molas (folha, espiral, fio), componentes elásticos de alta tensão, lâminas de serra, pinos de alta tensão onde o limite elástico máximo e a vida útil à fadiga são críticos |
| Partes estruturais gerais que requerem boa resistência à fadiga e tenacidade | Componentes que requerem alta resistência ao escoamento e comportamento de relaxamento controlado (por exemplo, molas de suspensão) |
Racional de seleção: - Use 51CrV4 quando os componentes requerem alta resistência estática com resistência ao impacto e à fadiga (por exemplo, eixos automotivos, forjamento fortemente carregado). - Use 60SiCr7 quando o requisito principal for alto limite elástico, vida útil à fadiga e desempenho da mola, aceitando menor tenacidade ao impacto e controles de tratamento térmico/soldagem mais exigentes.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: 60SiCr7 pode ser marginalmente mais barato por tonelada no custo básico da liga porque não possui elementos de microligação como o vanádio, mas o custo total do componente pode ser maior devido a requisitos de tratamento térmico e acabamento mais rigorosos. 51CrV4 pode ter um custo de matéria-prima ligeiramente mais alto devido ao conteúdo de Cr+V.
- Disponibilidade por forma de produto: Ambos estão comumente disponíveis como barras, fios (60SiCr7 amplamente utilizado na forma de fio de mola) e forjados. 60SiCr7 é comumente estocado por fornecedores de aço de mola. 51CrV4 é um aço padrão para eixos/forjados disponível através de muitos centros de serviços de aço.
- Prazo de entrega e custos dependem das dimensões, certificação e processamento especial (por exemplo, têmpera & revenimento para propriedades específicas, jateamento).
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumo:
| Atributo | 51CrV4 | 60SiCr7 |
|---|---|---|
| Soldabilidade (qualitativa) | Melhor, mas requer pré-aquecimento/PWHT para seções grossas | Mais desafiador devido ao maior C & Si; pré-aquecimento e PWHT frequentemente requeridos |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Bom equilíbrio (martensita temperada + microligação) | Maior resistência e escoamento, menor tenacidade em condições comparáveis |
| Custo (matéria-prima) | Moderado | Moderado a ligeiramente inferior; o custo total de processamento pode ser maior |
Recomendações: - Escolha 51CrV4 se precisar de uma combinação equilibrada de resistência à tração, tenacidade e resistência à fadiga em eixos, forjados e peças onde a resistência ao impacto e a soldabilidade são importantes. É a escolha mais segura quando a fragilidade do componente e as propriedades pós-solda são relevantes. - Escolha 60SiCr7 se sua aplicação prioriza o limite elástico máximo, alta resistência à fadiga e comportamento de mola (molas de espiral ou folha, fio de alta tensão). Aceite a necessidade de tratamento térmico controlado, potenciais restrições de soldagem e proteção de superfície mais cuidadosa.
Nota final: a seleção de material deve ser confirmada com certificados reais da usina, cronogramas específicos de tratamento térmico e procedimentos de soldagem validados para a forma de produto e condição de serviço pretendidas. Onde existem margens de segurança críticas, protótipos e testes (avaliação de tração, impacto, fadiga e HAZ de solda) são recomendados antes da produção em larga escala.