SPA-H vs SPA-C – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros e equipes de compras que selecionam aços para vasos de pressão ou chapas estruturais frequentemente enfrentam um compromisso entre resistência, tenacidade e custo. Os contextos típicos de decisão incluem a especificação de chapas para caldeiras e vasos de pressão, a escolha de materiais para tanques de serviço a frio ou a seleção de seções mais pesadas onde espessuras mais finas são desejáveis para economizar peso. SPA‑C e SPA‑H são frequentemente comparados porque representam duas filosofias de design diferentes: uma enfatiza menor carbono e maior tenacidade e soldabilidade como fabricado, enquanto a outra enfatiza maior endurecibilidade e maior resistência alcançável por meio de composição e tratamento térmico.

A diferença prática entre essas classes centra-se na estratégia de liga e carbono/endurecibilidade: as formulações SPA‑C são otimizadas para ductilidade, tenacidade de entalhe e boa soldabilidade em detrimento da resistência máxima, enquanto as formulações SPA‑H contêm maior teor de endurecibilidade e liga para permitir maior resistência e/ou melhor retenção de resistência a temperaturas elevadas, mas podem exigir controles de tratamento térmico e soldagem mais exatos.

1. Normas e Designações

• Normas comuns onde a nomenclatura do tipo SPA aparece: listas de materiais ASME/ASTM e catálogos de chapas para vasos de pressão; no entanto, o uso exato varia de acordo com o fornecedor e a região. Sempre confirme a especificação precisa e o certificado (por exemplo, ASTM Axxx ou EN xxxx) antes da compra.
• Outras normas a considerar ao comparar aços semelhantes: EN (normas europeias), JIS (japonesas), GB (normas nacionais chinesas).
• Classificação por família de aço:
• SPA‑C: Tipicamente um aço carbono ou aço carbono de baixa liga projetado para serviço de chapa de vaso de pressão (família de aço carbono).
• SPA‑H: Tipicamente um aço de maior endurecibilidade ou aço de baixa liga (ainda frequentemente categorizado como aço carbono/ligado em vez de aço inoxidável ou aço para ferramentas) destinado a aplicações de maior resistência (família de aço carbono/baixa liga).
• Nota: A nomenclatura com prefixo SPA é às vezes usada em catálogos de fornecedores ou listas de materiais mais antigas; a especificação padronizada subjacente (ASTM/EN/JIS/GB) dita a química exata e os requisitos mecânicos.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo fornece intervalos de composição indicativos e típicos (wt%). Estes são intervalos representativos usados na prática de engenharia para ilustrar a estratégia composicional — os valores exatos devem ser obtidos da especificação controladora ou do certificado do moinho.

Elemento	SPA‑C típica (wt%) — indicativa	SPA‑H típica (wt%) — indicativa
C	0.06 – 0.20	0.15 – 0.35
Mn	0.3 – 0.9	0.5 – 1.2
Si	0.10 – 0.40	0.10 – 0.50
P	≤ 0.025 – 0.035	≤ 0.030 – 0.040
S	≤ 0.025 – 0.035	≤ 0.030 – 0.040
Cr	≤ 0.30	0.20 – 1.00
Ni	≤ 0.30	0.20 – 1.50
Mo	≤ 0.10	0.05 – 0.60
V	≤ 0.05	0.02 – 0.20
Nb (Cb)	traço – 0.02	traço – 0.06
Ti	traço – 0.02	traço – 0.05
B	traço (frequentemente nenhum)	traço (níveis em ppm quando usado)
N	≤ 0.012	≤ 0.012

Como a liga afeta as propriedades - Carbono: controle primário de endurecibilidade e resistência; maior carbono aumenta a resistência e dureza alcançáveis, mas reduz a ductilidade e soldabilidade. - Manganês: aumenta a endurecibilidade, resistência à tração e desoxidação; alto Mn ajuda na resistência, mas pode reduzir ligeiramente a tenacidade se excessivo. - Silício: desoxidante, pequeno fortalecimento por solução sólida. - Cromo, Molibdênio, Níquel, Vanádio, Nióbio, Titânio: adições de liga que aumentam a endurecibilidade, resistência após têmpera/temperagem e resistência a altas temperaturas (Mo, Cr). Microligação (V, Nb, Ti) refina o grão e melhora o equilíbrio resistência/tenacidade por meio de endurecimento por precipitação e refino de grão. - Boro (ppm): adições muito pequenas podem aumentar dramaticamente a endurecibilidade quando presentes em níveis controlados.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas - SPA‑C: A condição laminada ou normalizada geralmente exibe microestrutura de ferrita‑perlita (ou fina ferrita/perlita). Baixo carbono e liga limitada resultam em perlita grossa ou fina, dependendo da história de resfriamento; a tenacidade é alcançada limitando o carbono e controlando a limpeza e o tamanho do grão. - SPA‑H: Com maior teor de carbono e liga, os aços SPA‑H podem desenvolver estruturas bainíticas ou martensíticas após têmpera ou resfriamento controlado adequados. Em condições normalizadas ou de têmpera e temperagem, eles mostram martensita temperada ou bainita temperada com maior resistência.

Resposta ao tratamento térmico - Normalização: ambas as classes respondem à normalização com tamanho de grão refinado e tenacidade melhorada; SPA‑C se beneficia mais prontamente devido à menor endurecibilidade. - Têmpera e temperagem: SPA‑H é projetado para ser temperado e temperado para alcançar alta resistência e tenacidade controlada; SPA‑C pode ser menos comumente temperado em martensita devido ao menor carbono e menor liga (a resposta de endurecimento é limitada). - Processamento termo-mecânico: variantes microligadas de ambas as classes (com Nb, V) respondem bem ao laminação controlada para produzir estruturas de ferrita–perlita ou bainíticas de grão fino que oferecem um equilíbrio melhorado entre resistência e tenacidade.

4. Propriedades Mecânicas

Intervalos típicos de propriedades mecânicas — indicativos apenas; use a especificação controladora para a compra.

Propriedade	SPA‑C (intervalo típico)	SPA‑H (intervalo típico)
Resistência à tração (MPa)	380 – 550	500 – 900
Resistência ao escoamento (0.2% offset) (MPa)	230 – 350	350 – 700
Alongamento (%)	18 – 30	8 – 20
Tenacidade ao impacto (Charpy V‑notch)	Frequentemente ≥ 27 J na temperatura especificada; boa tenacidade a baixa temperatura	Variável; pode ser boa se temperada corretamente, mas geralmente inferior à SPA‑C no estado entregue
Dureza (HB)	~120 – 200	~160 – 320

Interpretação - SPA‑H pode alcançar níveis de resistência mais altos devido ao maior carbono e liga, além do tratamento térmico, mas isso geralmente reduz a ductilidade e a tenacidade de entalhe em comparação com a SPA‑C. - SPA‑C é tipicamente mais dúctil e tem melhor tenacidade de entalhe e soldabilidade como fabricado, adequada para ambientes a frio ou sensíveis a impactos.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do equivalente de carbono e da endurecibilidade, em vez do nome apenas. Dois índices empíricos comumente usados são o equivalente de carbono IIW e o Pcm do Instituto Internacional de Soldagem. Exemplos:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa - SPA‑C: menor carbono e menos ligas de endurecibilidade resultam em menor $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$; isso se traduz em melhor soldabilidade, menores requisitos de pré-aquecimento e menor risco de trincas induzidas por hidrogênio se práticas de soldagem adequadas forem usadas. - SPA‑H: maior teor de carbono e liga aumentam $CE_{IIW}$/$P_{cm}$, elevando o risco de zonas afetadas pelo calor endurecidas e trincas a frio. SPA‑H pode exigir pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas, tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) e consumíveis de baixo hidrogênio. - Microligação: elementos como Nb e V podem elevar ligeiramente $P_{cm}$ enquanto melhoram o tamanho do grão e a resistência; seu efeito na soldabilidade deve ser gerenciado por meio da especificação do procedimento de soldagem (WPS).

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto SPA‑C quanto SPA‑H são aços carbono/baixa liga não inoxidáveis; a proteção contra corrosão uniforme depende de revestimentos e proteção catódica.
• Medidas de proteção comuns: galvanização a quente (adequada para muitos aços carbono, mas considerar limites de temperatura e espessura), sistemas de pintura epóxi/uretano, metalização e ânodos sacrificiais para serviço imerso.
• Para ambientes com alto teor de cloreto ou onde a passividade é necessária, aços inoxidáveis são requeridos; PREN (número equivalente de resistência à corrosão por picotamento) não se aplica a aços carbono. Para referência, PREN é:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• A seleção da estratégia de proteção depende do serviço (atmosférico, imerso, serviço ácido), temperatura e manutenção permitida.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Corte: A maior dureza e resistência do SPA‑H aumentam o desgaste das ferramentas e podem exigir velocidades de corte mais lentas e ferramentas mais robustas. SPA‑C é mais fácil de usinar.
• Formação/dobra: SPA‑C é mais formável devido à menor resistência ao escoamento e maior ductilidade; SPA‑H pode exigir raios de dobra maiores ou formação assistida por calor.
• Soldagem/fabricação: SPA‑C geralmente tolera práticas de fabricação mais agressivas; SPA‑H requer pré-aquecimento controlado, interpassagem e possivelmente PWHT para fabricação crítica. O gerenciamento de tensões residuais e distorções é mais importante com SPA‑H devido aos maiores gradientes de resistência.
• Acabamento de superfície: Ambos respondem a moagem, jateamento e tratamentos de superfície, mas SPA‑H pode apresentar efeitos de endurecimento por trabalho ou temperagem se submetido a acabamentos de alta energia.

8. Aplicações Típicas

SPA‑C — Usos típicos	SPA‑H — Usos típicos
Casco de caldeiras e vasos de pressão onde alta tenacidade de entalhe e boa soldabilidade são essenciais (serviço a baixa temperatura).	Componentes de limite de pressão e partes estruturais onde maior resistência ou seções mais finas são desejadas (quando o design requer tensões permitidas mais altas).
Tanques de armazenamento e tubulações para pressão moderada e temperaturas ambientes/mais baixas.	Vasos de alta pressão, seções transversais mais grossas que requerem endurecimento profundo e componentes temperados.
Chapa estrutural geral onde a tenacidade ao impacto e a ductilidade são priorizadas.	Componentes de máquinas pesadas, peças forjadas e aplicações que requerem alta resistência à temperagem.

Racional de seleção - Escolha SPA‑C quando a tenacidade a baixa temperatura, resistência ao impacto em serviço e soldagem simples forem prioridades. - Escolha SPA‑H quando o design precisar de tensões permitidas mais altas, seções mais finas para o mesmo carregamento ou quando o componente será temperado para atingir uma resistência específica.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: SPA‑H geralmente tem um custo adicional em relação ao SPA‑C devido ao maior teor de liga, processamento adicional (laminação controlada, têmpera/temperagem) e controles de tratamento térmico mais rigorosos. SPA‑C é geralmente mais econômico para chapas de grande área onde alta tenacidade e soldabilidade são suficientes.
• Disponibilidade: Ambas as classes estão comumente disponíveis em formas de chapa, mas as variantes SPA‑C são mais amplamente encontradas em estoques padrão de chapas para vasos de pressão. SPA‑H pode ser produzido sob encomenda em espessuras e condições específicas (normalizado, temperado e temperado), portanto, os prazos de entrega podem ser mais longos para tamanhos incomuns ou tratamentos térmicos certificados.
• Formas de produto: chapa, bobina e ocasionalmente barras; SPA‑H é mais frequentemente especificado para chapa e forjados tratados termicamente.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa)

Atributo	SPA‑C	SPA‑H
Soldabilidade	Alta (menor pré-aquecimento, WPS mais simples)	Moderada a baixa (provavelmente pré-aquecimento/PWHT)
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Boa tenacidade, resistência moderada	Alta resistência alcançável, tenacidade depende do tratamento
Custo	Mais baixo	Mais alto

Recomendações - Escolha SPA‑C se: - Seu design requer tenacidade superior como fabricado e a menor complexidade de soldagem prática. - A temperatura de operação é baixa ou a resistência ao impacto é um controle chave de modo de falha. - Custo e facilidade de fabricação são requisitos dominantes.

• Escolha SPA‑H se:
• Você precisa de tensões permitidas mais altas, seções mais finas para economia de peso ou espaço, ou peças que serão temperadas para níveis de resistência específicos.
• Você pode aceitar controles de soldagem mais rigorosos (pré-aquecimento, PWHT) e potencialmente custos de aquisição e processamento mais altos.

Nota final: rótulos do tipo SPA podem abranger uma variedade de químicas e condições entre fornecedores. Sempre especifique a norma controladora ou o certificado de teste do moinho, o tratamento térmico requerido (normalizado, temperado e temperado ou como laminado), os requisitos de Charpy‑V na temperatura governante e as qualificações do procedimento de soldagem. Para designs críticos, solicite resultados completos de composição e testes mecânicos, e realize soldagens de pré-qualificação e testes de PWHT para validar o desempenho no ambiente de fabricação e serviço pretendido.