SUP9 vs SUP10 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

SUP9 e SUP10 são graus de aço carbono estrutural intimamente relacionados, frequentemente considerados em fabricação pesada, componentes de máquinas e peças tratadas termicamente. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente ponderam as compensações entre soldabilidade, tenacidade, usinabilidade e resistência alcançável ao selecionar entre eles. A principal distinção prática é um aumento deliberado e modesto no teor de carbono em SUP10 em comparação com SUP9, que desloca o desempenho em direção a uma maior endurecibilidade e resistência em detrimento de alguma ductilidade e soldabilidade. Esses dois graus são frequentemente comparados onde os projetistas devem equilibrar a capacidade de carga dos componentes e a resistência ao desgaste em relação à facilidade de fabricação e ao custo do tratamento térmico.

1. Normas e Designações

• Normas típicas onde famílias de graus semelhantes aparecem: ASTM/ASME (aços carbono e de baixo liga), EN (aços estruturais europeus e temperados), JIS (Normas Industriais Japonesas), GB/T (normas chinesas).
• Classificação: tanto SUP9 quanto SUP10 são aços carbono ou de baixo liga não inoxidáveis (não são aços para ferramentas ou inoxidáveis austeníticos). Eles são geralmente posicionados como aços carbono ou aços de baixo liga destinados a peças que podem ser normalizadas, temperadas ou de outra forma tratadas termicamente para controlar resistência/tenacidade. Eles não são graus inoxidáveis de alto níquel nem HSLA com microligação significativa por padrão, embora variantes específicas de usina possam incluir adições de microligação.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Notas: Em vez de diferenças radicais na suíte de ligas, a abordagem de design para SUP10 é aumentar o teor de carbono para elevar a dureza e a resistência à tração alcançáveis após o tratamento térmico, mantendo uma receita de liga relativamente simples. Mn e Si são usados convencionalmente para desoxidação e controle de resistência. Microligação (V, Nb, Ti) pode aparecer em produtos específicos de usina para adaptar a tenacidade sem aumentos excessivos de carbono.

Como a liga afeta as propriedades: - Carbono: principal determinante da dureza e fração de martensita temperada; maior teor de carbono aumenta a resistência, mas reduz a ductilidade e a soldabilidade. - Manganês e molibdênio: aumentam a endurecibilidade e a resistência; moderam a sensibilidade à taxa de resfriamento. - Elementos de microligação (V, Nb, Ti): refinam o grão, aumentam o endurecimento por precipitação e podem melhorar a tenacidade sem grandes aumentos de carbono.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - SUP9 (menor carbono): em condição normalizada, tende a formar uma matriz de ferrita–pearlita com pearlite relativamente mais grossa dependendo do resfriamento. Após o tratamento de têmpera e revenimento, espera-se uma microestrutura de martensita/bainita temperada em níveis moderados de endurecimento. - SUP10 (maior carbono): mais pearlite na condição como laminado ou normalizado; quando temperado, uma maior proporção de martensita se forma em taxas de resfriamento comparáveis, produzindo maior dureza e resistência.

Rotas de tratamento térmico: - Normalização: refina o grão e produz ferrita–pearlita; o maior teor de carbono do SUP10 resulta em uma estrutura normalizada mais dura do que o SUP9 para o mesmo caminho de resfriamento. - Têmpera e revenimento: ambos os graus respondem formando martensita no resfriamento rápido. O SUP10 atinge maior dureza após a têmpera e requer cronogramas de revenimento que reduzem a fragilidade enquanto preservam maior resistência. As receitas de revenimento devem levar em conta o aumento do carbono para evitar zonas de fragilização por revenimento. - Processamento termo-mecânico: laminação controlada ou TMCP com resfriamento acelerado pode produzir misturas finas de bainita ou martensita-ferrita. Variantes microligadas de qualquer grau podem ganhar tenacidade melhorada com tamanhos de grão mais finos.

Implicações metalúrgicas: - Maior teor de carbono aumenta a sensibilidade da temperatura Ms (início da martensita) e eleva a dureza potencial após a têmpera, mas também aumenta o risco de microestruturas martensíticas frágeis se o revenimento for inadequado. - Elementos de liga que aumentam a endurecibilidade (Mn, Mo) reduzem a necessidade de resfriamento extremamente rápido, mas devem ser equilibrados para manter a soldabilidade.

4. Propriedades Mecânicas

Explicação: O aumento impulsionado pelo carbono em SUP10 eleva as resistências à tração e ao escoamento potenciais sob condições de tratamento térmico semelhantes. A compensação é a diminuição da ductilidade e tenacidade, a menos que o revenimento, microligação ou tratamentos térmicos pós-solda sejam usados para mitigar a fragilidade. A seleção do material deve, portanto, considerar o equilíbrio necessário entre resistência estática e tenacidade dinâmica.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade enfatizam o teor de carbono, endurecibilidade e microligação em níveis de ppm.

Índices úteis: - Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (para aços que incluem outros efeitos de liga): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - O maior teor de carbono do SUP10 aumenta $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em relação ao SUP9, sinalizando maior suscetibilidade a trincas a frio, maiores requisitos de pré-aquecimento e a necessidade de temperaturas de interpassagem controladas. - Se Mn/Mo forem aumentados juntamente com o carbono para manter o equilíbrio de endurecibilidade, o efeito na soldabilidade pode ser amplificado porque esses elementos aumentam ainda mais as métricas de equivalente de carbono. - Mitigação prática: pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas, processos de soldagem com baixo hidrogênio, tratamento térmico pós-solda (PWHT) e metais de adição projetados para corresponder aos requisitos de tenacidade.

No geral: SUP9 é geralmente mais fácil de soldar e requer menos pré-aquecimento/PWHT do que SUP10 para geometrias de componentes comparáveis.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto SUP9 quanto SUP10 são aços carbono não inoxidáveis; eles dependem da proteção da superfície para resistência à corrosão.
• Estratégias de proteção típicas: galvanização a quente, eletrogalvanização, revestimentos orgânicos (tintas, epóxis) e revestimentos de conversão especializados. Para componentes que requerem resistência à exposição a longo prazo, sistemas duplex (galvanizado + pintura) são comuns.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não se aplica a aços carbono comuns: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice se aplica a ligas inoxidáveis; uma vez que os teores de Cr e Mo são baixos ou ausentes em SUP9/SUP10, a resistência à corrosão deve ser fornecida por revestimentos em vez de liga intrínseca.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: a maior dureza e teor de carbono do SUP10 aumentam o desgaste das ferramentas e podem exigir velocidades mais lentas ou graus de ferramentas mais resistentes. O SUP9 geralmente será mais fácil de usinar, especialmente em condições de recozimento ou normalização.
• Formabilidade: a maior ductilidade do SUP9 o torna melhor para operações de conformação (dobramento, estampagem profunda) sem trincas. O SUP10 é menos tolerante na conformação e pode exigir recozimentos intermediários.
• Corte e acabamento: a resistência ao desgaste abrasivo é maior para SUP10 quando tratado termicamente para durezas mais altas, tornando-o preferível para peças sujeitas a desgaste, mas mais desafiador para operações de acabamento.
• No geral: escolha a condição de fornecimento (recozido, normalizado, temperado) para adequar aos processos de conformação e usinagem a jusante.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha SUP9 quando a complexidade da fabricação, soldabilidade e tenacidade ao entalhe forem críticas e o design não exigir a resistência endurecida mais alta absoluta. - Escolha SUP10 quando o design exigir maior resistência após o tratamento térmico, resistência ao desgaste ou tamanhos de componentes menores onde maior resistência reduz o tamanho da seção ou peso.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: SUP10 geralmente tem custo de material igual ou ligeiramente mais alto devido ao tratamento térmico adicional e ao controle mais rigoroso necessário para variantes de maior carbono. Se o SUP10 exigir PWHT mais rigoroso ou metais de adição especiais para soldagem, o custo de fabricação ao longo do ciclo de vida aumenta.
• Disponibilidade: ambos os graus estão comumente disponíveis em formas de produtos padrão (barras, chapas, forjados) de fornecedores de aço gerais. Variantes de SUP9 podem estar mais amplamente estocadas para aplicações estruturais gerais; SUP10 pode ser produzido sob encomenda em condições específicas tratadas termicamente ou exigir prazos de entrega mais longos se químicas especiais ou microligação forem solicitadas.
• Nota de aquisição: solicite certificados de usina e registros de tratamento térmico para confirmar a composição química, dureza e condição de tratamento térmico ao especificar qualquer um dos graus.

10. Resumo e Recomendação

Recomendação: - Escolha SUP9 se você precisar de um aço que seja mais fácil de soldar e fabricar, que exija boa tenacidade e formabilidade no componente final, ou quando minimizar o custo e a complexidade da fabricação for uma prioridade. - Escolha SUP10 se o design exigir maior resistência temperada e endurecida ou maior dureza de superfície para resistência ao desgaste e você puder acomodar controles de soldagem mais rigorosos e tratamentos de revenimento/PWHT apropriados.

Orientação prática final: - Especifique a condição de fornecimento necessária (recozido, normalizado, temperado) e as propriedades mecânicas-alvo em vez de apenas o nome do grau. Peça aos fornecedores a composição certificada e os registros de teste de dureza/impacto. Se a soldagem for necessária, inclua instruções de pré-aquecimento e PWHT na especificação de fabricação e considere especificar metal de adição e controles de hidrogênio para mitigar o risco de trincas.