SUJ2 vs SUJ3 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

SUJ2 e SUJ3 são aços para rolamentos de cromo de alto carbono designados pela JIS, comumente considerados para componentes de contato rolante, eixos e outras peças críticas ao desgaste. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente ponderam as compensações entre a dureza máxima e a resistência ao desgaste em comparação com tenacidade, usinabilidade e soldabilidade ao selecionar entre essas duas classes. Os contextos típicos de decisão incluem a escolha de materiais para rolamentos de alta velocidade, eixos sujeitos a carregamento cíclico ou componentes onde operações de pós-processamento e união influenciam o custo e o prazo de entrega.

A principal distinção prática entre os dois é uma modesta diferença na composição química que influencia a dureza e a temperabilidade alcançáveis após o tratamento térmico. Essa pequena mudança composicional se traduz em diferentes respostas ao tratamento térmico e, portanto, em diferentes equilíbrios de resistência, resistência ao desgaste e tenacidade—daí a comparação direta frequente em design e fabricação.

1. Normas e Designações

• JIS: SUJ2 e SUJ3 (série JIS G4805 para aços de rolamento)
• Equivalentes internacionais comuns ou quase equivalentes:
• SUJ2: frequentemente comparado a AISI/SAE 52100 / EN 100Cr6 / DIN 1.3505
• SUJ3: geralmente categorizado ao lado de aços de rolamento de cromo de alto carbono, mas com química nominal ligeiramente diferente da SUJ2
• Classificação: Ambos são aços de rolamento de alto carbono e contendo cromo (aços para ferramentas/rolamentos de carbono-cromo), não inoxidáveis, não HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir resume a presença típica e os níveis relativos de elementos de liga comuns para SUJ2 e SUJ3. Os valores são descritos qualitativamente (Alto / Médio / Baixo / Traço / Nenhum) para evitar implicar intervalos numéricos exatos onde limites específicos de lote a lote ou padrões podem variar.

Como a liga afeta o desempenho: - O carbono e o cromo são os principais fatores do comportamento do aço para rolamentos: o carbono fornece a dureza martensítica e resistência ao desgaste; o cromo aumenta a temperabilidade e melhora a resistência ao desgaste e ao revenido. - Níveis baixos de Mn/Si atuam principalmente como desoxidantes e têm influência modesta na temperabilidade. - Os níveis de impurezas (P, S) são controlados para preservar a vida à fadiga; o S é às vezes controlado para equilibrar usinabilidade versus fadiga.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Na condição recozida, ambas as classes são fornecidas com carbonetos esferoidais em uma matriz ferrítica para facilitar a usinagem. - Após o resfriamento e revenido, a microestrutura alvo para ambas é martensita revenida com carbonetos de cromo dispersos. A fração e a distribuição de carbonetos e austenita retida dependem do teor de carbono e da severidade do resfriamento.

Efeitos e diferenças do tratamento térmico: - Normalização/refino: Aumenta a tenacidade e refina o tamanho do grão de austenita anterior; ambas as classes respondem formando um grão austenítico fino antes do resfriamento. - Resfriamento e revenido: A tendência ligeiramente maior de carbono mais cromo da SUJ2 permite uma dureza e resistência ao desgaste mais altas após o resfriamento, mas também aumenta o risco de trincas induzidas pelo resfriamento e austenita retida se não for devidamente revenido. A SUJ3, com temperabilidade efetiva marginalmente inferior em muitas especificações, geralmente alcança uma dureza máxima mais baixa, mas uma tenacidade um pouco melhor e menor sensibilidade a trincas de resfriamento sob ciclos semelhantes. - Revenido: Ambas respondem de forma previsível—temperaturas de revenido mais altas diminuem a dureza e aumentam a tenacidade. Os parâmetros de revenido devem ser escolhidos com base no equilíbrio necessário entre dureza e resistência ao impacto. - Tratamentos termo-mecânicos: Não são comumente aplicados a esses aços para rolamentos da maneira que são aplicados a aços HSLA, mas um resfriamento controlado cuidadoso após o trabalho a quente pode ajustar a temperabilidade e o estresse residual.

4. Propriedades Mecânicas

Abaixo está uma tabela de comparação qualitativa do comportamento mecânico típico após tratamentos térmicos representativos de rolamentos. Os valores absolutos dependem dos alvos específicos de tratamento térmico (por exemplo, 60 HRC vs 58 HRC vs condições de revenido).

Explicação: - Quando os projetistas buscam a maior dureza e resistência ao desgaste, a química da SUJ2 apoia esse alvo mais prontamente. Quando o serviço exige maior tenacidade à fratura ou resistência melhorada à fadiga de contato sob choques repetidos, a resposta ligeiramente mais branda da SUJ3 pode ser vantajosa.

5. Soldabilidade

A soldabilidade de aços de rolamento de alto carbono e contendo cromo é geralmente ruim em relação a aços de baixo carbono; o risco de trincas assistidas por hidrogênio e zonas afetadas pelo calor duras e frágeis aumenta com o carbono e a temperabilidade.

Fórmulas preditivas úteis: - Equivalente de carbono (IIW) frequentemente usado para avaliar necessidades de pré-aquecimento e procedimentos: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Um parâmetro mais detalhado para aços modernos: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação: - Valores mais altos de $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ indicam soldabilidade reduzida e maior necessidade de pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e tratamento térmico pós-solda (PWHT). - Como a SUJ2 tende a ter uma contribuição efetiva de carbono e cromo mais alta, geralmente resulta em um equivalente de carbono mais alto do que a SUJ3 e, portanto, em uma soldabilidade pior. Na prática, a soldagem de ambas as classes é evitada, a menos que seja necessário; se a soldagem for requerida, use consumíveis de baixo hidrogênio, pré-aquecimento controlado e revenido pós-solda para reduzir o risco de trincas.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nem SUJ2 nem SUJ3 são inoxidáveis; os níveis de cromo não são altos o suficiente para produzir um filme passivo resistente à corrosão.
• Proteções comuns: lubrificação, revestimento de fosfato, eletrodeposição, pintura ou galvanização a quente (sujeito a considerações dimensionais e metalúrgicas). Para elementos rolantes, filmes protetores finos (por exemplo, óxido negro ou lubrificantes especializados) são comumente usados para proteger o estoque antes da montagem.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a essas classes não inoxidáveis; para referência: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Use proteção contra corrosão apropriada ao ambiente: rolamentos fechados com lubrificantes requerem proteção diferente de eixos expostos.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: Na condição recozida (esferoidizada), ambas as classes são relativamente fáceis de usinar. Se as peças forem usinadas na condição endurecida, a dureza mais alta da SUJ2 reduzirá a vida útil da ferramenta e aumentará os tempos de ciclo em relação à SUJ3.
• Desbaste e acabamento: A dureza mais alta da SUJ2 frequentemente requer operações de desbaste mais agressivas ou abrasivos mais finos; a integridade da superfície e a geração de calor devem ser controladas para evitar revenido ou induzir estresse residual.
• Formação/dobramento: A formação a frio é limitada para ambas as classes devido ao alto carbono; a conformação é tipicamente feita na condição mais macia e recozida. A conformação profunda ou severa é geralmente evitada.
• Controle de distorção do tratamento térmico: Ambas as classes podem distorcer durante o resfriamento e revenido; a SUJ2 pode ser mais sensível à severidade do resfriamento devido à maior temperabilidade.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha SUJ2 quando a máxima resistência ao desgaste e alta capacidade de tensão de contato forem priorizadas e quando a rota de fabricação/montagem puder acomodar controles rigorosos de tratamento térmico e manuseio. - Escolha SUJ3 quando uma redução marginal na dureza melhorar a tenacidade, reduzir o risco de trincas por resfriamento, ou quando restrições de usinagem/soldagem favorecerem uma temperabilidade ligeiramente mais branda.

9. Custo e Disponibilidade

• SUJ2 é amplamente especificado e disponível em formas de estoque de aço para rolamentos (barras, anéis, chapas, esferas/rolos acabados) de muitos fornecedores; economias de escala tendem a manter os custos unitários competitivos.
• SUJ3 também está disponível, mas pode ser menos comumente estocado dependendo da região e do foco do fornecedor; os prazos de entrega podem variar conforme a forma do produto.
• Custo relativo: comparável para estoque de barras de commodities em grande volume; as diferenças de custo são frequentemente impulsionadas mais pela forma do produto, tratamento térmico necessário e acabamento do que pelo prêmio de grau de usina.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa):

Recomendações: - Escolha SUJ2 se você precisar de máxima resistência ao desgaste em contato rolante e alta dureza alcançável para rolamentos, rolos ou anéis, e puder controlar os procedimentos de tratamento térmico, manuseio e união para mitigar riscos de trincas e estresse residual. - Escolha SUJ3 se sua aplicação se beneficiar de uma troca de tenacidade–usinabilidade moderadamente melhorada, menor sensibilidade a trincas por resfriamento, ou se considerações de fabricação/soldagem posteriores pesarem contra a dureza máxima possível.

Nota final: A seleção final deve ser guiada pelos alvos específicos de desempenho (dureza, vida à fadiga, tenacidade), fluxo de fabricação (capacidade de usinagem, união, tratamento térmico) e ambiente de serviço (lubrificação, exposição à corrosão). Valide a escolha do material com ensaios de tratamento térmico em amostras e, quando possível, testes de fadiga ou desgaste por contato representativos do serviço pretendido.