100Cr6 vs 100CrMnSi6-4 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
Compartilhar
Table Of Content
Table Of Content
Introdução
100Cr6 e 100CrMnSi6-4 são aços de alto carbono e ricos em cromo amplamente utilizados onde a resistência ao desgaste, a vida útil de fadiga por contato rolante e a estabilidade dimensional são críticas. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente enfrentam uma escolha entre os dois ao especificar rolamentos, eixos, pinos ou peças de desgaste: selecionar o aço de rolamento clássico de alta dureza otimizado para fadiga de contato e desgaste, ou selecionar um grau de alto carbono mais fortemente ligado que troca alguma dureza máxima por uma melhor tenacidade e facilidade de processamento. A principal distinção técnica é que 100Cr6 é um aço de rolamento clássico de alto cromo formulado para desenvolver uma alta temperabilidade e microestrutura martensítica para resistência ao desgaste, enquanto 100CrMnSi6-4 utiliza manganês e silício adicionais (e nível de Cr alterado) para equilibrar temperabilidade, tenacidade e usinabilidade.
1. Normas e Designações
- 100Cr6
- Designação EN: EN 100Cr6 (nome de ano)
- Equivalentes comuns: AISI/SAE 52100 (aço para rolamentos)
- Classificação: Aço de rolamento de cromo de alto carbono (aço carbono, ligado)
- 100CrMnSi6-4
- Designação comercial típica usada em alguns catálogos europeus e de fornecedores (formato denota ~1,00% C com níveis de Cr, Mn, Si)
- Classificação: Aço liga de alto carbono, cromo-manganês-silício (aço carbono/ligado destinado a aplicações de rolamentos, pinos e peças de desgaste)
Notas: - Estes não são aços inoxidáveis e são tratados como aços carbono/ligados em considerações de soldagem e corrosão. - A cobertura exata de designação e equivalentes varia por país e fornecedor; sempre confirme o documento padrão ou a ficha técnica do fabricante.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela abaixo apresenta intervalos de composição típicos encontrados em fichas de dados de materiais comerciais e normas. Sempre valide contra o certificado exato do fornecedor ou norma.
| Elemento | 100Cr6 (intervalo típico) | 100CrMnSi6-4 (intervalo típico) |
|---|---|---|
| C | 0,95–1,05 wt% | ~0,95–1,05 wt% |
| Mn | 0,25–0,45 wt% | ~1,0–1,7 wt% |
| Si | 0,10–0,40 wt% | ~0,20–0,6 wt% |
| Cr | 1,30–1,65 wt% | ~0,7–1,4 wt% |
| P | ≤0,03–0,04 wt% | ≤0,03–0,04 wt% |
| S | ≤0,03–0,04 wt% | ≤0,03–0,04 wt% |
| Ni | tipicamente ≤0,30 wt% | tipicamente ≤0,30 wt% |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | traço ou não adicionado intencionalmente | traço ou não adicionado intencionalmente |
Como a liga afeta as propriedades: - Carbono: endurecimento primário, possibilita a formação de martensita e alta dureza, mas reduz a soldabilidade e a ductilidade. - Cromo: aumenta a temperabilidade, resistência ao desgaste e resistência ao revenido; resistência à corrosão modesta em aços de baixa liga. - Manganês: aumenta a temperabilidade e a resistência à tração, melhora a desoxidação; maior Mn em 100CrMnSi6-4 aumenta a temperabilidade e tenacidade em relação a 100Cr6. - Silício: desoxidante que também pode melhorar a resistência e a resistência ao revenido; maior Si suporta resistência em 100CrMnSi6-4. - Enxofre e fósforo: níveis baixos controlados para evitar fragilização e preservar a vida útil de fadiga.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas e respostas a rotas térmicas comuns:
- 100Cr6
- Condição recozida: carbonetos esferoidizados (cementita) em uma matriz ferrítica para maximizar a usinabilidade.
- Após têmpera e revenido: predominantemente martensita com partículas de carboneto finamente distribuídas e alguma austenita retida dependendo do tamanho da seção e da severidade da têmpera. Otimizado para alta dureza e resistência à fadiga por contato rolante.
-
Normalização seguida de têmpera: resulta em um tamanho de grão de austenita anterior mais fino, melhorando a tenacidade para uma dureza dada, mas ainda otimizado para alta dureza.
-
100CrMnSi6-4
- Recozido: carbonetos esferoidizados para usinagem; maior teor de Mn e Si pode afetar a morfologia do carboneto.
- Após têmpera e revenido: matriz martensítica com talvez um pouco mais de austenita retida para tratamento térmico comparável, mas o maior Mn melhora a temperabilidade em seções maiores e suporta uma tenacidade melhorada.
- Tratamentos termo-mecânicos: aumento de Mn e Si permite melhor temperabilidade em seções transversais maiores; ciclos de revenido selecionados podem produzir um equilíbrio de tenacidade/dureza mais forte do que 100Cr6 para peças que requerem resistência ao impacto.
Considerações práticas: - Ambos os graus são comumente esferoidizados antes de usinagem extensiva. - Tratamentos criogênicos podem reduzir a austenita retida e melhorar a dureza e a estabilidade dimensional para ambos os aços. - A seleção da temperatura de revenido é crítica: temperaturas mais altas de revenido reduzem a dureza, mas aumentam a tenacidade.
4. Propriedades Mecânicas
Os valores dependem do processo e da seção. A tabela abaixo mostra janelas de propriedades típicas para condições totalmente tratadas termicamente (têmpera e revenido ou endurecimento total) usadas em aplicações de rolamentos/desgaste.
| Propriedade | 100Cr6 (típico, tratado termicamente) | 100CrMnSi6-4 (típico, tratado termicamente) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (UTS) | ~1200–2200 MPa | ~1100–2000 MPa |
| Resistência ao escoamento (0,2% de prova) | ~900–1700 MPa | ~800–1500 MPa |
| Alongamento (A) | ~1–6% (baixa ductilidade em alta dureza) | ~2–8% (ductilidade ligeiramente maior em dureza comparável) |
| Tenacidade ao impacto Charpy | Baixa a moderada; altamente dependente da dureza e da seção; frequentemente 5–30 J | Moderada; tipicamente maior que 100Cr6 para dureza similar |
| Dureza (HRC) | Rolamentos comuns: HRC 58–66 | Intervalo de dureza tipicamente HRC 56–64 |
Interpretação: - 100Cr6 é otimizado para alcançar maior dureza máxima e excelente resistência ao desgaste por contato rolante. Isso pode ocorrer à custa de tenacidade e ductilidade. - 100CrMnSi6-4, com maior Mn e Si, oferece melhor temperabilidade em seções mais espessas e tipicamente melhor tenacidade em níveis de dureza similares, tornando-o preferível onde resistência ao impacto ou seções transversais maiores são necessárias.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é controlada principalmente pelo equivalente de carbono e microligação. Dois índices empíricos comumente usados são úteis para interpretação qualitativa:
-
Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (índice de soldabilidade útil para aços com muitos elementos 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: - Ambos os aços são de alto carbono (≈1,0% C), portanto, sua soldabilidade é pobre a marginal sem pré-aquecimento e procedimentos controlados. - 100CrMnSi6-4 tem contribuições mais altas de Mn e Si, que aumentam $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em relação a aços de baixo Mn; isso geralmente o torna mais suscetível a martensita dura e quebradiça e a trincas por hidrogênio na zona afetada pelo calor se soldado sem pré-aquecimento e resfriamento controlado. - O moderado Cr de 100Cr6 também eleva a temperabilidade; ambos os graus geralmente requerem pré-aquecimento, consumíveis de baixo hidrogênio e tratamento térmico pós-soldagem. Para a maioria das aplicações de rolamentos, a soldagem é evitada quando viável—união mecânica ou usinagem a partir de sólido são preferidas.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, 100Cr6 ou 100CrMnSi6-4, é inoxidável. Espere um comportamento padrão de corrosão do aço carbono.
- Proteções típicas:
- Galvanização (imersão a quente ou eletro) para proteção contra corrosão atmosférica geral.
- Revestimento de fosfato ou camadas de passivação para melhorar a adesão da tinta.
- Tintas, revestimentos em pó ou óleo/graxas para peças móveis onde a galvanização é impraticável.
- Para componentes em ambientes agressivos, devem ser considerados graus inoxidáveis ou revestimentos especializados (cromo duro, PVD/DLC, spray térmico).
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses aços carbono de baixa liga: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice é relevante para ligas inoxidáveis e não deve ser usado para 100Cr6/100CrMnSi6-4 que não possuem Mo ou N significativos e não formam filmes passivos inoxidáveis.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- Na condição recozida/esferoidizada, ambos os graus são usináveis de forma aceitável; 100CrMnSi6-4 (com maior Mn e Si) pode ser um pouco mais difícil de usinar se não for adequadamente esferoidizado, mas pode ser projetado para melhorar a usinabilidade.
- Na condição endurecida, ambos são difíceis e frequentemente requerem retificação em vez de usinagem convencional.
- Formabilidade:
- O alto teor de carbono limita a conformação a frio; esses aços são tipicamente formados a quente ou forjados na condição recozida, seguidos de tratamento térmico.
- Acabamento de superfície:
- Retificação e superacabamento são padrão para pistas de rolamento e elementos rolantes.
- Ferramentas de carboneto e controle de refrigerante são necessários para usinagem de produção.
8. Aplicações Típicas
| 100Cr6 (usos comuns) | 100CrMnSi6-4 (usos comuns) |
|---|---|
| Rolamentos de ranhura profunda, rolamentos de rolos, esferas e pistas onde alta dureza e vida útil de fadiga por contato rolante são necessárias | Eixos, pinos, buchas, tiras de desgaste e rolamentos onde tenacidade melhorada ou temperabilidade em seções maiores é necessária |
| Componentes de rolamento de precisão em motores, caixas de engrenagens e máquinas-ferramenta | Ferramentas de trabalho a frio, pinos de alta carga, componentes sujeitos a impacto/desgaste com proteção moderada contra corrosão |
| Esferas de pequeno diâmetro, rolos de agulha e anéis de precisão | Peças usinadas a partir de barras ou forjados onde maior Mn/Si auxilia a temperabilidade em seções mais espessas |
Racional de seleção: - Escolha 100Cr6 quando o requisito principal for máxima resistência à fadiga por contato rolante, dureza ao desgaste e estabilidade dimensional sob cargas de contato repetidas. - Escolha 100CrMnSi6-4 quando seções mais espessas, maior tenacidade ao impacto ou usinabilidade ligeiramente melhor na condição recozida forem priorizadas.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo:
- 100Cr6 é amplamente padronizado e produzido em massa, muitas vezes mais econômico em formas de mercadoria (barra, anéis, rolamentos acabados).
- 100CrMnSi6-4 pode ter custo marginalmente mais alto por kg dependendo dos volumes de fornecedores e níveis de liga, mas os preços são competitivos quando produzidos em formas de barra padrão.
- Disponibilidade:
- 100Cr6 (equivalentes EN/AISI-52100) está disponível globalmente de muitos moinhos em barras, anéis, blanks e componentes de rolamentos.
- A disponibilidade de 100CrMnSi6-4 depende de fornecedores regionais; pode ser estocado por fornecedores de barras especializadas e fabricantes de peças de rolamento, mas não é tão ubíquo quanto 100Cr6 em catálogos de rolamentos.
- Formas de produto:
- Ambos são comumente fornecidos como blanks forjados, barras torneadas e anéis tratados termicamente; 100Cr6 tem maior fornecimento de mercadorias para consumíveis de rolamento.
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumo (qualitativa)
| Área de Propriedade | 100Cr6 | 100CrMnSi6-4 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Pobre (alto C, temperabilidade) | Pobre (alto C, Mn/Si elevado aumenta CE) |
| Equilíbrio Força–Tenacidade | Maior dureza e resistência ao desgaste; tenacidade relativamente menor | Melhor tenacidade em dureza comparável; temperabilidade melhorada em seções maiores |
| Custo | Geralmente mais baixo e amplamente disponível para peças de rolamento | Comparável a ligeiramente mais alto; disponibilidade mais variável |
Recomendações finais: - Escolha 100Cr6 se: - Seu projeto exigir vida útil máxima de fadiga por contato rolante e resistência ao desgaste máxima em alta dureza (por exemplo, rolamentos de precisão, pequenos rolos de alta velocidade, sistemas de esferas e pistas). - As peças forem finas o suficiente para alcançar endurecimento total ou forem produzidas por procedimentos de têmpera controlados; e a soldagem deve ser evitada. - Escolha 100CrMnSi6-4 se: - Você precisar de um melhor compromisso entre tenacidade/dureza, temperabilidade melhorada em seções maiores ou processamento ligeiramente mais tolerante para pinos, eixos ou componentes expostos a cargas de impacto. - Você planeja usinar a partir de barras ou blanks forjados e requer desempenho melhorado em seções transversais mais espessas onde 100Cr6 pode não endurecer completamente.
Nota de conclusão: Ambos os aços apresentam desempenho excepcional quando combinados com a aplicação correta e quando o tratamento térmico, acabamento de superfície e medidas de proteção são especificados adequadamente. Para componentes críticos, especifique a composição exata e a prática de tratamento térmico no pedido de compra, solicite certificados de moinho e, onde a soldagem ou serviço severo é antecipado, consulte metalurgistas e especialistas em tratamento térmico para definir pré-aquecimento, tratamento térmico pós-soldagem e critérios de inspeção.