12Cr1MoV vs 15CrMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente enfrentam uma escolha entre aços de baixo teor de liga intimamente relacionados ao especificar componentes para equipamentos de pressão, tubulações e aplicações em altas temperaturas. Os dilemas típicos de seleção giram em torno do equilíbrio entre resistência e resistência ao fluência em alta temperatura contra soldabilidade, facilidade de fabricação e custo. Uma comparação comum é entre 12Cr1MoV e 15CrMo, ambos usados em caldeiras, vasos de pressão e partes estruturais expostas ao calor.

A principal diferença entre esses dois aços é sua estratégia de liga: um grau inclui elementos microaleantes formadores de carbonetos mais fortes que aumentam a temperabilidade e a resistência em alta temperatura, enquanto o outro é formulado para uma composição mais simples e uma fabricação mais fácil. Essa diferença gera compensações no desempenho mecânico, procedimentos de soldagem e adequação para serviços em temperaturas mais altas.

1. Normas e Designações

• 12Cr1MoV
• Aparece comumente em normas nacionais para aços de vasos de pressão e caldeiras (por exemplo, várias normas chinesas e da Europa Oriental). É classificado como um aço de baixo teor de liga projetado para serviço em altas temperaturas (aço de pressão/caldeira).
• 15CrMo
• Aparece em especificações tradicionais europeias e internacionais para aços de baixo teor de liga para caldeiras e vasos de pressão (historicamente em designações relacionadas a EN/BS). Também é um grau de aço de baixo teor de liga e resistente ao calor.

Classificação para ambos: aço de pressão/caldeira de baixo teor de liga (ferrítico) (não inoxidável, não aço para ferramentas, não HSLA no sentido moderno de microaleação, embora elementos microaleantes possam estar presentes).

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Os dois graus utilizam diferentes estratégias de liga: um enfatiza pequenas adições de elementos microaleantes (formadores de carbonetos/nitretos) para melhorar a resistência em alta temperatura e a resistência à fluência, enquanto o outro é uma liga de cromo-molibdênio mais simples otimizada para boa tenacidade e soldabilidade mais fácil.

Tabela — presença qualitativa de elementos de liga | Elemento | 12Cr1MoV (presença qualitativa) | 15CrMo (presença qualitativa) | |---|---:|---:| | C (carbono) | Baixa a moderada (controla a resistência) | Baixa a moderada | | Mn (manganês) | Presente (auxilia na resistência/tenacidade) | Presente | | Si (silício) | Presente em pequenas quantidades (desoxidação) | Presente em pequenas quantidades | | P (fósforo) | Residual/controlado (mantido baixo) | Residual/controlado (mantido baixo) | | S (enxofre) | Traço/controlado | Traço/controlado | | Cr (cromo) | Moderado (melhora a oxidação e a resistência) | Moderado (liga primária) | | Ni (níquel) | Geralmente ausente ou traço | Geralmente ausente ou traço | | Mo (molibdênio) | Presente (melhora a resistência à fluência e a temperabilidade) | Presente (mas tipicamente com menor teor do que o grau mais fortemente ligado) | | V (vanádio) | Pequena adição microaleante (forma carbonetos/nitretos) | Geralmente ausente ou apenas traço | | Nb (nióbio) | Tipicamente ausente ou traço | Tipicamente ausente ou traço | | Ti (titânio) | Traço possível (desoxidação/estabilização) | Traço possível | | B (boro) | Não típico | Não típico | | N (nitrogênio) | Traço (influencia a formação de carbonetos/nitretos microaleantes) | Traço |

Como a liga afeta as propriedades - O cromo e o molibdênio aumentam a resistência em alta temperatura, a resistência à fluência e a temperabilidade; eles também reduzem ligeiramente a soldabilidade se os teores forem significativos. - O vanádio (e outros elementos microaleantes, como o nióbio) contribui para o fortalecimento por meio de finos precipitados de carbonetos/nitretos e refino de grão; isso aumenta a resistência ao escoamento e a resistência à fluência, mas aumenta a temperabilidade e o risco de formação de martensita na zona afetada pelo calor (HAZ) durante a soldagem. - O carbono controla a resistência básica e a temperabilidade; mantido baixo a moderado nesses graus para preservar a soldabilidade e a tenacidade. - O manganês e o silício são principalmente desoxidantes e contribuem modestamente para a resistência e tenacidade.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas - Ambos os graus são microestruturas ferríticas-perlíticas ou microestruturas ferríticas normalizadas na condição entregue quando normalizadas ou normalizadas e temperadas. Para aços de vasos de pressão típicos, a microestrutura alvo é uma estrutura bainítica temperada ou ferrita/perlita de grão fino, dependendo do tratamento térmico e da taxa de resfriamento. - 12Cr1MoV, devido à microaleação (vanádio) e molibdênio, tende a produzir precipitados mais finos e pode desenvolver uma estrutura de martensita/ferrita temperada de grão mais fino em regiões resfriadas intensamente; isso resulta em maior resistência e melhor resistência à fluência. - 15CrMo geralmente tem uma microestrutura ferrítica/perlítica temperada convencional otimizada para tenacidade em temperaturas elevadas moderadas.

Resposta ao tratamento térmico - Normalização: Ambos os aços respondem à normalização com refino de grão e melhoria da tenacidade; os elementos microaleantes em 12Cr1MoV ajudam a estabilizar grãos finos sob ciclos de normalização apropriados. - Resfriamento e tempera: Ambos podem ser resfriados e temperados, mas a presença de vanádio e maior temperabilidade no grau mais fortemente ligado requer controle cuidadoso da severidade do resfriamento e da tempera para evitar dureza excessiva na HAZ e alcançar a tenacidade requerida. - Processamento termo-mecânico: 12Cr1MoV se beneficia mais do controle de laminação/processamento termo-mecânico porque os precipitados microaleantes ajudam a fixar os limites de grão, melhorando a resistência e a tenacidade à temperatura.

4. Propriedades Mecânicas

Fornecer propriedades mecânicas qualitativamente comparativas evita números exatos enganosos enquanto torna as diferenças claras.

Tabela — comportamento mecânico comparativo (qualitativo) | Propriedade | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Resistência à tração | Maior tendência (devido à microaleação e Mo) | Moderada | | Resistência ao escoamento | Maior tendência | Moderada | | Alongamento (ductilidade) | Bom, pode ser ligeiramente inferior ao 15CrMo se fortemente ligado/sobre-temperado | Bom, geralmente mais dúctil na condição padrão | | Tenacidade ao impacto | Boa com tratamento térmico adequado; sensível às condições da HAZ | Geralmente muito boa, frequentemente superior à tenacidade da HAZ sob a mesma prática de soldagem | | Dureza | Pode atingir dureza mais alta após resfriamento e tempera | Inferior em condições comparáveis |

Explicação - 12Cr1MoV é projetado para fornecer maior resistência a altas temperaturas e resistência à fluência por meio de microaleação e maior teor de molibdênio; portanto, normalmente atinge maiores resistências à tração e ao escoamento após tratamento térmico apropriado. - 15CrMo, com menos adições microaleantes, tende a ser mais fácil de processar e soldar, com ligeiramente melhor ductilidade retida e tenacidade da HAZ em muitos cenários de fabricação. - Os valores mecânicos reais dependem da especificação precisa, do caminho de tratamento térmico e da forma do produto; os engenheiros devem consultar os certificados de fábrica do fornecedor para mínimos garantidos.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é governada pelo equivalente de carbono, elementos de liga que aumentam a temperabilidade e elementos microaleantes que formam carbonetos/nitretos estáveis.

Índices empíricos úteis (para interpretação qualitativa) - Equivalente de carbono (fórmula IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula Pcm para suscetibilidade a trincas de solda: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa - Valores mais altos de $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ indicam maior temperabilidade e uma necessidade aumentada de pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT). - 12Cr1MoV normalmente gera maiores contribuições de $CE$/$P_{cm}$ devido ao molibdênio e vanádio, portanto, os procedimentos de soldagem devem levar em conta a maior temperabilidade da HAZ: pré-aquecimento, controle de entrada de calor e PWHT são comumente exigidos para a fabricação de vasos de pressão. - 15CrMo, com menos elementos microaleantes, geralmente tem valores de CE e Pcm calculados mais baixos e é geralmente mais tolerante durante a soldagem — embora pré-aquecimento e PWHT ainda sejam frequentemente especificados para seções grossas e equipamentos de pressão.

Orientação prática - Ambos os graus usados em equipamentos de pressão normalmente requerem procedimentos de soldagem qualificados e PWHT para restaurar a tenacidade e aliviar tensões residuais. - Ao escolher entre os dois, considere a complexidade do ciclo de PWHT requerido e a produtividade da soldagem. Aços fortemente ligados exigem controle mais rigoroso.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos aços 12Cr1MoV ou 15CrMo é inoxidável; a resistência à corrosão é a de aços ferríticos de baixo teor de liga. A seleção deve assumir a necessidade de revestimentos protetores ou proteção catódica onde a corrosão é uma preocupação.
• Medidas protetoras típicas: sistemas de pintura, revestimentos epóxi/fenólicos, revestimento (sobreposição de solda) ou galvanização a quente para condições ambientais onde a proteção galvânica é apropriada.
• Para aços totalmente não inoxidáveis, o PREN não é aplicável; no entanto, para aços ligados onde o molibdênio contribui para a resistência à corrosão localizada em ambientes especiais, o índice PREN é relevante apenas se o aço contiver cromo e molibdênio significativos, além de nitrogênio mensurável — não é o caso dos graus padrão 12Cr1MoV ou 15CrMo.
• Onde a resistência à oxidação em altas temperaturas é importante, teores mais altos de Cr e Mo (como no grau mais ligado) proporcionam melhor desempenho, mas esses aços ainda não são substitutos para ligas inoxidáveis ou de alta temperatura.

Exemplo de fórmula PREN (normalmente não aplicável a esses graus): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: Ambos os aços são razoavelmente usináveis em condições normalizadas ou recozidas. A dureza ligeiramente mais alta e o fortalecimento por precipitação em 12Cr1MoV podem reduzir a vida útil da ferramenta em comparação com 15CrMo.
• Formabilidade: 15CrMo tende a ser marginalmente mais fácil de formar a frio e dobrar devido à microestrutura mais simples e à resistência ao escoamento ligeiramente mais baixa nas condições entregues.
• União e fabricação: 12Cr1MoV requer controle mais rigoroso da entrada de calor e controle de hidrogênio (eletrodos limpos, pré-aquecimento) devido à maior temperabilidade do Mo e V. O uso de metais de adição qualificados, avaliados para PWHT e propriedades mecânicas correspondentes, é essencial.
• Acabamento de superfície: Ambos aceitam moagem, usinagem e preparação de superfície padrão para revestimentos. Precipitados de carboneto em aços microaleados podem causar dureza localizada que afeta as operações de acabamento.

8. Aplicações Típicas

Tabela — usos típicos por grau | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---| | Tubos e cabeçotes de caldeira de alta temperatura onde é necessária resistência à fluência aprimorada | Tubulações de caldeira e vasos de pressão para serviço em temperatura moderada | | Componentes de vasos de pressão que requerem maior resistência a longo prazo em altas temperaturas | Cascas gerais de vasos de pressão, flanges e conexões onde a facilidade de fabricação é priorizada | | Componentes onde a estabilidade do grão e a resistência à fluência melhoradas por microaleação são benéficas | Aplicações com soldagem frequente e maior necessidade de boa tenacidade da HAZ e qualificação mais fácil | | Tubulações e cabeçotes de vapor operando em temperaturas/pressões mais altas (dependendo da especificação) | Tubulações e partes estruturais econômicas para temperaturas de baixas a moderadas |

Racional de seleção - Escolha o grau mais fortemente microaleado quando a vida útil do projeto em alta temperatura, resistência à fluência e estabilidade do grão são primordiais e o orçamento do projeto e os controles de soldagem podem acomodar procedimentos mais rigorosos. - Escolha a liga de cromo-molibdênio mais simples onde a velocidade de fabricação, menor sensibilidade à soldagem e eficiência de custo são mais importantes e as temperaturas de serviço são moderadas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: Geralmente, o grau com elementos microaleantes adicionais (vanádio, ligeiramente mais Mo) será mais caro por tonelada do que o grau mais simples de cromo-molibdênio devido ao custo dos elementos de liga e potencialmente controles de processamento mais rigorosos.
• Disponibilidade: Ambos os graus são comumente produzidos em formas de produtos padrão (placas, tubos, forjados) para o mercado de caldeiras/vasos de pressão. A disponibilidade varia regionalmente — verifique os moinhos e distribuidores locais para prazos de entrega. Formas e tamanhos padrão estão mais prontamente disponíveis para a variante 15CrMo mais simples em alguns mercados.

10. Resumo e Recomendação

Tabela — comparação concisa | Critério | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Soldabilidade | Justa — requer controle mais rigoroso de pré-aquecimento/PWHT | Boa — mais tolerante na soldagem | | Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Maior resistência em alta temperatura; boa tenacidade com tratamento térmico correto | Boa tenacidade e ductilidade; resistência moderada | | Custo | Mais alto (devido à microaleação e processamento) | Mais baixo (mais econômico) |

Recomendação - Escolha 12Cr1MoV se: seu componente deve suportar temperaturas mais altas ou maior vida útil à fluência, você precisa de melhor estabilidade do grão e maior resistência a longo prazo, e pode implementar procedimentos de soldagem mais rigorosos, pré-aquecimento e PWHT. - Escolha 15CrMo se: a aplicação for equipamento de pressão ou tubulação em temperatura moderada onde a velocidade de fabricação, soldabilidade mais fácil e menor custo de material são os principais impulsionadores, e o projeto não exigir a resistência à fluência aprimorada do aço microaleado.

Nota final: Sempre confirme os requisitos químicos e mecânicos exatos em relação à especificação do projeto e aos certificados do moinho. A qualificação do procedimento de soldagem, cronogramas de PWHT e critérios de aceitação mecânica devem ser estabelecidos com base no grau selecionado, espessura e temperatura de serviço pretendida.