Aço 15N20: Propriedades e Principais Aplicações

O aço 15N20 é um aço de alto carbono e baixo liga, conhecido por sua excepcional tenacidade e resistência ao desgaste, sendo utilizado principalmente na fabricação de ferramentas e componentes de alto desempenho. Classificado como um aço liga de médio carbono, contém quantidades significativas de níquel e cromo, que melhoram suas propriedades mecânicas e resistência à corrosão. Os principais elementos de liga no aço 15N20 são:

• Níquel (Ni): Melhora a tenacidade e a ductilidade.
• Cromo (Cr): Aumenta a dureza e a resistência ao desgaste.
• Carbono (C): Aumenta a resistência e a dureza.

Características e Propriedades

O aço 15N20 é caracterizado por sua excelente temperabilidade, alta resistência à tração e boa resistência à fadiga. É frequentemente utilizado em aplicações que exigem alta resistência ao desgaste e tenacidade, como na produção de lâminas, molas e outros componentes submetidos a alta tensão.

Vantagens:
- Alta resistência ao desgaste devido ao seu teor de carbono.
- Excelente tenacidade, tornando-o adequado para aplicações submetidas a impactos.
- Boa usinabilidade e soldabilidade quando processado adequadamente.

Limitações:
- Resistência à corrosão limitada em comparação aos aços inoxidáveis.
- Requer tratamento térmico cuidadoso para alcançar as propriedades mecânicas desejadas.

Historicamente, o aço 15N20 tem sido significativo na produção de facas e ferramentas de alta qualidade, particularmente na indústria de cutelaria, onde suas propriedades são altamente valorizadas.

Nomes Alternativos, Normas e Equivalentes

Organização Padrão	Designação/Classe	País/Região de Origem	Notas/Observações
UNS	G15N20	EUA	Equivalente mais próximo ao AISI 5160 com pequenas diferenças.
AISI/SAE	15N20	EUA	Comumente utilizado na fabricação de ferramentas.
ASTM	A681	EUA	Especificação para aços de ferramentas.
EN	1.6510	Europa	Equivalente ao AISI 15N20 com pequenas variações composicionais.
JIS	S15C	Japão	Propriedades semelhantes, mas com diferentes elementos de liga.

As diferenças entre essas classes frequentemente estão nas porcentagens específicas de elementos de liga, o que pode afetar o desempenho do aço em várias aplicações. Por exemplo, enquanto tanto o 15N20 quanto o AISI 5160 são aços de alto carbono, a presença de níquel no 15N20 melhora sua tenacidade em comparação ao 5160.

Propriedades Chave

Composição Química

Elemento (Símbolo e Nome)	Faixa de Percentagem (%)
C (Carbono)	0.75 - 0.85
Ni (Níquel)	1.50 - 2.00
Cr (Cromo)	0.50 - 1.00
Mn (Manganês)	0.40 - 0.60
Si (Silício)	0.15 - 0.30
P (Fósforo)	≤ 0.030
S (Enxofre)	≤ 0.030

O papel primário dos elementos de liga chave no aço 15N20 inclui:

• Carbono: Aumenta a dureza e a resistência, essencial para a resistência ao desgaste.
• Níquel: Melhora a tenacidade e a ductilidade, permitindo que o aço suporte impactos sem fraturar.
• Cromo: Contribui para a dureza e resistência ao desgaste, melhorando o desempenho do aço em ambientes abrasivos.

Propriedades Mecânicas

Propriedade	Condição/Temperatura	Temperatura de Teste	Valor Típico/Faixa (Métrico - Unidades SI)	Valor Típico/Faixa (Unidades Imperiais)	Padrão de Referência para Método de Teste
Resistência à Tração	Recuado	Temperatura Ambiente	800 - 900 MPa	116,000 - 130,000 psi	ASTM E8
Resistência ao Escoamento (0.2% offset)	Recuado	Temperatura Ambiente	600 - 700 MPa	87,000 - 101,500 psi	ASTM E8
Alongamento	Recuado	Temperatura Ambiente	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Dureza (Rockwell C)	Recuado	Temperatura Ambiente	30 - 40 HRC	30 - 40 HRC	ASTM E18
Resistência ao Impacto	Endurecido & Temperado	-20 °C	30 - 50 J	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

A combinação dessas propriedades mecânicas torna o aço 15N20 particularmente adequado para aplicações que requerem alta resistência e tenacidade, como na fabricação de facas e ferramentas de corte. Sua capacidade de manter a dureza enquanto conserva a ductilidade permite que tenha bom desempenho sob carga mecânica.

Propriedades Físicas

Propriedade	Condição/Temperatura	Valor (Métrico - Unidades SI)	Valor (Unidades Imperiais)
Densidade	Temperatura Ambiente	7.85 g/cm³	0.284 lb/in³
Ponto de Fusão/Faixa	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Condutividade Térmica	Temperatura Ambiente	50 W/(m·K)	34.5 BTU/(hr·ft·°F)
Capacidade Calorífica Específica	Temperatura Ambiente	0.46 J/(g·K)	0.11 BTU/(lb·°F)
Resistividade Elétrica	Temperatura Ambiente	0.00065 Ω·m	0.000038 Ω·in
Coeficiente de Expansão Térmica	Temperatura Ambiente	11.5 x 10⁻⁶ /K	6.4 x 10⁻⁶ /°F

A importância prática das propriedades físicas do aço 15N20 inclui:

• Densidade: Sua densidade relativamente alta contribui para o peso geral e equilíbrio das ferramentas feitas deste aço, o que é crítico em aplicações como a fabricação de facas.
• Condutividade Térmica: A condutividade térmica permite uma dissipação eficaz de calor durante operações de corte, reduzindo o risco de danos térmicos tanto na ferramenta quanto na peça de trabalho.
• Coeficiente de Expansão Térmica: Essa propriedade é importante em aplicações onde a estabilidade dimensional é crucial, pois afeta como o material se comportará sob flutuações de temperatura.

Resistência à Corrosão

Agente Corrosivo	Concentração (%)	Temperatura (°C/°F)	Avaliação de Resistência	Notas
Água do Mar	3.5%	25 °C / 77 °F	Regular	Risco de corrosão por picotamento.
Ácido Acético	5%	20 °C / 68 °F	Pobre	Susceptível a fraturas por corrosão sob tensão.
Ácido Sulfúrico	10%	25 °C / 77 °F	Pobre	Não é recomendado para uso.
Clorados	1%	30 °C / 86 °F	Regular	Risco de corrosão localizada.

O aço 15N20 apresenta resistência moderada à corrosão, tornando-o adequado para certos ambientes, mas não ideal para aplicações expostas a agentes corrosivos severos. É particularmente suscetível a picotamento e fraturas por corrosão sob tensão em ambientes clorados, o que pode limitar seu uso em aplicações marinhas.

Quando comparado a outros graus de aço, como o aço inoxidável 440C e o AISI 5160, o 15N20 mostra resistência à corrosão inferior, mas superior tenacidade e resistência ao desgaste. Isso o torna uma escolha preferida para aplicações onde o desempenho mecânico é priorizado em relação à resistência à corrosão.

Resistência ao Calor

Propriedade/Limite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observações
Temperatura Máxima de Serviço Contínuo	300 °C	572 °F	Adequado para exposição prolongada.
Temperatura Máxima de Serviço Intermitente	400 °C	752 °F	Apenas exposição de curto prazo.
Temperatura de Escalonamento	600 °C	1112 °F	Risco de oxidação além disso.

Em temperaturas elevadas, o aço 15N20 mantém suas propriedades mecânicas, mas pode começar a oxidar se não estiver devidamente protegido. Seu desempenho em altas temperaturas torna-o adequado para aplicações como ferramentas de trabalho a quente, mas deve-se ter cuidado para evitar exposição prolongada a temperaturas acima de seu limite de escalonamento.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

Processo de Soldagem	Metal de Reposição Recomendado (Classificação AWS)	Gás/Fluído de Proteção Típico	Notas
MIG	ER70S-6	Mistura de Argônio + CO2	Boas resultados com técnica adequada.
TIG	ER80S-Ni	Argônio	Requer pré-aquecimento para melhores resultados.
Stick	E7018	-	Adequado para seções mais grossas.

O aço 15N20 é geralmente considerado soldável, mas o pré-aquecimento é recomendado para minimizar o risco de fissuras. O tratamento térmico pós-soldagem também pode melhorar as propriedades mecânicas da solda.

Usinabilidade

Parâmetro de Usinagem	Aço 15N20	Aço AISI 1212	Notas/Dicas
Índice Relativo de Usinabilidade	60	100	15N20 é mais desafiador de usinar.
Velocidade de Corte Típica	30 m/min	50 m/min	Ajustar velocidades com base nas ferramentas.

A usinabilidade do aço 15N20 é moderada; requer ferramentas afiadas e velocidades de corte apropriadas para alcançar bons acabamentos de superfície. O desgaste das ferramentas pode ser significativo devido à sua dureza.

Formabilidade

O aço 15N20 apresenta formabilidade limitada, particularmente em aplicações de trabalho a frio. A formação a quente é preferida para evitar fissuras, e atenção cuidadosa deve ser dada aos raios de dobra para prevenir falhas.

Tratamento Térmico

Processo de Tratamento	Faixa de Temperatura (°C/°F)	Tempo Típico de Imersão	Método de Resfriamento	Finalidade Primária / Resultado Esperado
Recocção	700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F	1 - 2 horas	Ar	Reduzir dureza, melhorar ductilidade.
Endurecimento	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 minutos	Óleo	Aumentar dureza e resistência.
Tempera	200 - 300 °C / 392 - 572 °F	1 hora	Ar	Reduzir fragilidade, melhorar tenacidade.

Durante o tratamento térmico, o aço 15N20 passa por transformações metalúrgicas significativas. O endurecimento aumenta a dureza através da formação de martensita, enquanto a tempera permite o ajuste da dureza e tenacidade, criando um equilíbrio adequado para várias aplicações.

Aplicações Típicas e Usos Finais

Indústria/Sector	Exemplo de Aplicação Específica	Propriedades Chave do Aço Utilizadas nesta Aplicação	Razão para Seleção (Breve)
Cutelaria	Facas de alto desempenho	Alta dureza, tenacidade	Retém o fio afiado sob tensão.
Automotivo	Molas	Alta resistência à fadiga	Suporta ciclos de carregamento repetidos.
Fabricação de Ferramentas	Ferramentas de corte	Resistência ao desgaste, tenacidade	Adequado para aplicações de alta tensão.
Aeroespacial	Componentes de aeronaves	Relação força-peso	Essencial para aplicações sensíveis ao peso.

Outras aplicações incluem:

• • Molas de alto desempenho nas indústrias automotivas e aeroespaciais.
• • Ferramentas especiais para aplicações de usinagem e corte.
• • Componentes em ambientes de alta tensão, como moldes e matrizes.

O aço 15N20 é escolhido para essas aplicações devido à sua combinação única de dureza, tenacidade e resistência ao desgaste, tornando-o ideal para componentes que devem suportar estresse mecânico significativo.

Considerações Importantes, Critérios de Seleção e Mais Insights

Característica/Propriedade	Aço 15N20	Aço AISI 5160	Aço Inoxidável 440C	Nota Breve de Prós/Contras ou Compensações
Propriedade Mecânica Chave	Alta tenacidade	Boa tenacidade	Alta dureza	15N20 se destaca na resistência ao impacto.
Aspecto de Corrosão Chave	Resistência regular	Resistência regular	Excelente resistência	15N20 é menos adequado para ambientes corrosivos.
Soldabilidade	Boa	Moderada	Boa	Pré-aquecimento é recomendado para 15N20.
Usinabilidade	Moderada	Boa	Moderada	15N20 requer usinagem cuidadosa.
Formabilidade	Limitada	Boa	Limitada	Formação a quente é preferida para 15N20.
Custo Aproximado Relativo	Moderado	Moderado	Mais alto	Custo-efetivo para aplicações de alto desempenho.
Disponibilidade Típica	Comum	Comum	Amplamente disponível	15N20 está prontamente disponível para aplicações especializadas.

Ao selecionar o aço 15N20, considerações incluem suas propriedades mecânicas, custo-efetividade e disponibilidade. Embora ofereça excelente desempenho em aplicações específicas, suas limitações em resistência à corrosão e formabilidade devem ser pesadas em relação aos requisitos do uso pretendido.

Em resumo, o aço 15N20 é um material versátil que se destaca em aplicações que requerem alta tenacidade e resistência ao desgaste, tornando-se uma escolha preferida nas indústrias de cutelaria e fabricação de ferramentas. Suas propriedades únicas, combinadas com um processamento e tratamento cuidadosos, possibilitam a criação de componentes de alto desempenho que atendem a padrões de engenharia exigentes.