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

Introdução

Engenheiros e profissionais de compras comumente enfrentam a escolha entre 15CrMo e 12Cr1MoV ao projetar equipamentos de pressão, tubulações e componentes para serviços em alta temperatura. O dilema de seleção geralmente gira em torno de compensações entre resistência a altas temperaturas e resistência ao fluência, soldabilidade e requisitos de tratamento pós-solda, e custo e disponibilidade do material.

A principal distinção metalúrgica entre esses dois aços da família Cr–Mo é a presença relativa e o papel do molibdênio e do vanádio: um grau depende principalmente do endurecimento por cromo-molibdênio, enquanto o outro inclui adições controladas de vanádio para refinar o tamanho do grão e fornecer endurecimento por precipitação. Como ambos são aços ferríticos de baixo liga destinados a aplicações em alta temperatura, eles são frequentemente comparados para uso em caldeiras, vasos de pressão e sistemas de troca de calor, onde um equilíbrio de resistência, tenacidade e fabricabilidade é necessário.

1. Normas e Designações

Ambos os graus pertencem aos aços ferríticos de baixo liga Cr–Mo usados em aplicações de pressão e alta temperatura. Eles aparecem sob vários sistemas nacionais e internacionais; consulte a norma específica para limites químicos e mecânicos exatos.

• Sistemas de normas comuns onde aços Cr–Mo equivalentes ou relacionados aparecem:
• ASME/ASTM (EUA) — materiais para vasos de pressão e tubulações (agrupamentos de números P para qualificação de tratamento térmico e procedimentos de soldagem)
• EN (Europa) — designações EN para aços de baixo liga usados em caldeiras e vasos de pressão
• GB (China) — graus nacionais e equivalentes para aços Cr–Mo
• GOST (Rússia/ex-URSS) — 12Cr1MoV é comumente encontrado sob designações GOST
• JIS (Japão) — aços Cr–Mo relacionados nas categorias de equipamentos de pressão

Classificação: tanto 15CrMo quanto 12Cr1MoV são aços de liga de baixo liga (não inoxidáveis), tipicamente categorizados como aços ferríticos/pearlíticos resistentes ao calor para serviços em alta temperatura, em vez de aços para ferramentas ou HSLA exclusivamente para uso estrutural.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir resume a presença típica de elementos comuns em termos qualitativos. Para limites composicionais exatos, consulte a norma aplicável ou o certificado do material.

Elemento	15CrMo (qualitativo)	12Cr1MoV (qualitativo)
C	Baixo (controlado para tenacidade e soldabilidade)	Baixo (controlado para tenacidade e soldabilidade)
Mn	Moderado (desoxidação e resistência)	Moderado
Si	Traço–moderado (desoxidação)	Traço–moderado
P	Residual (mantido baixo)	Residual (mantido baixo)
S	Residual (mantido baixo)	Residual (mantido baixo)
Cr	Elemento de liga primário (melhora a oxidação a altas temperaturas e resistência)	Elemento de liga primário (papel similar)
Ni	Tipicamente mínimo/ausente	Tipicamente mínimo/ausente
Mo	Presente (fornece endurecimento e resistência ao fluência)	Presente—frequentemente controlado em níveis semelhantes ou superiores para suportar resistência ao fluência
V	Ausente ou muito baixo	Presente em quantidades controladas (microligação para refino de grão e endurecimento por precipitação)
Nb	Ausente/traço	Ausente/traço
Ti	Traço se presente (desoxidação/precipitação)	Traço se presente
B	Traço em algumas variantes	Traço em algumas variantes
N	Residual	Residual

Explicação da estratégia de liga: - O cromo aumenta a resistência à oxidação e contribui para a resistência a altas temperaturas. - O molibdênio aumenta o endurecimento, fortalece a matriz a altas temperaturas e melhora a resistência ao fluência e ao amolecimento. - O vanádio, quando usado como adição de microligação, refina o tamanho do grão de austenita anterior e forma carbonetos/nitratos estáveis que aumentam a resistência e a resistência ao fluência, particularmente após o revenimento. O vanádio também pode influenciar o comportamento de revenimento e reduzir a separação de limites de grão a altas temperaturas. - O carbono e o manganês são equilibrados para fornecer a resistência base necessária, mantendo a soldabilidade aceitável.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas para aços Cr–Mo na condição de entrega e após tratamento térmico seguem padrões previsíveis ferríticos/pearlíticos ou martensíticos/bainíticos revenidos, dependendo das rotas de tratamento térmico.

• Como-normalizado: Ambos os graus comumente mostram martensita/bainita revenida ou uma mistura fina de ferrita-pearlita, dependendo da taxa de resfriamento e da composição. A normalização refina o tamanho do grão e homogeneiza a microestrutura.
• Resfriamento e revenimento: Para requisitos de maior resistência e resistência ao fluência, o resfriamento para formar martensita seguido de revenimento produz martensita/bainita revenida. O molibdênio e o vanádio afetam a resistência ao revenimento—Mo retarda o amolecimento, enquanto V forma precipitados estáveis que dificultam o movimento de discordâncias e a fluência.
• Processamento termo-mecânico: A laminação controlada e o resfriamento acelerado podem produzir ferrita e bainita de grão fino, melhorando a tenacidade e a resistência sem aumentar excessivamente a dureza. A microligação de vanádio responde bem a rotas termo-mecânicas, precipitando carbonetos/nitratos finos durante o resfriamento controlado.
• Tratamento térmico pós-solda (PWHT): Ambos os graus geralmente requerem PWHT para serviço de vasos de pressão para revenimento da zona afetada pelo calor (HAZ) e redução de tensões residuais. A presença de Mo e V altera a cinética do revenimento—temperatura e duração do PWHT devem seguir a norma do material e o código de projeto.

4. Propriedades Mecânicas

Os valores mecânicos exatos dependem da norma, forma do produto e tratamento térmico. A tabela abaixo fornece características mecânicas qualitativas comparativas.

Propriedade	15CrMo	12Cr1MoV
Resistência à tração	Moderada a alta (após revenimento)	Moderada a alta; frequentemente comparável ou ligeiramente superior sob tratamento térmico semelhante
Resistência ao escoamento	Moderada	Comparável a ligeiramente superior (devido à microligação e endurecimento por precipitação)
Alongamento (ductilidade)	Bom (adequado para conformação e soldagem)	Bom, mas pode ser ligeiramente inferior se um maior endurecimento por precipitação for utilizado
Tenacidade ao impacto (temperatura ambiente / baixa temperatura)	Boa com tratamento térmico apropriado	Boa; o vanádio e o grão fino podem melhorar a retenção de tenacidade em temperaturas elevadas
Dureza (pós-revenimento)	Moderada	Moderada; potencialmente maior resistência ao amolecimento durante o serviço

Interpretação: - A microligação de 12Cr1MoV com vanádio geralmente proporciona melhor resistência ao fluência e um melhor equilíbrio entre resistência e tenacidade em altas temperaturas quando comparado a aços Cr–Mo simples que não possuem V, especialmente após tratamentos térmicos apropriados. - 15CrMo se destaca em muitas aplicações padrão em alta temperatura e pode ser mais tolerante para soldagem e fabricação devido à química mais simples.

5. Soldabilidade

A soldabilidade dos aços Cr–Mo depende do equivalente de carbono e da capacidade de endurecimento. Duas equações comumente usadas para avaliação qualitativa são:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

e

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação (qualitativa): - Maior Mo e V aumentam o termo $(Cr+Mo+V)$, elevando os índices de endurecimento calculados e indicando maior risco de endurecimento da HAZ e trincas a frio se a prática de soldagem não for ajustada. - Ambos os graus geralmente requerem pré-aquecimento controlado e PWHT obrigatório para serviço de vasos de pressão. 12Cr1MoV, devido ao seu vanádio e Mo controlado, pode exigir controle de calor mais rigoroso durante a soldagem e cronogramas de PWHT para evitar fragilização e alcançar o revenimento desejado da HAZ. - Consumíveis de soldagem adequados, temperaturas entre passes e procedimentos de PWHT especificados pelo código regulador são essenciais. 15CrMo pode ser ligeiramente mais tolerante devido ao conteúdo de microligação mais simples, mas ainda requer PWHT em muitas condições de serviço.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos aços 15CrMo ou 12Cr1MoV é inoxidável; a resistência à corrosão é limitada ao que a liga (Cr, Mo) e a condição da superfície fornecem. A seleção para ambientes corrosivos requer revestimentos ou proteção catódica.
• Estratégias de proteção típicas: pintura, revestimentos epóxi, revestimentos aplicados em forno, revestimentos de spray térmico ou galvanização, onde compatível com a temperatura de serviço e design (observe que a galvanização é inadequada para muitas aplicações em alta temperatura).
• PREN não é aplicável para esses aços Cr–Mo não inoxidáveis, mas para referência, a fórmula PREN é:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

Este índice é projetado para aços inoxidáveis austeníticos e não prevê de forma significativa a resistência à corrosão de aços ferríticos Cr–Mo. Em vez disso, as folgas de corrosão e os sistemas de proteção são selecionados com base no ambiente (oxidante, sulfidante, contendo cloreto, etc.) e na temperatura de operação.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Usinabilidade: O vanádio e os maiores teores de Mo podem reduzir a usinabilidade ao promover carbonetos mais duros; 15CrMo pode ser mais fácil de usinar em algumas condições. Ferramentas e parâmetros de corte devem levar em conta a liga e a condição do tratamento térmico.
• Conformabilidade: Como aços de baixo liga, ambos os graus permitem operações de conformação padrão (dobramento, laminação) quando dentro de faixas de revenimento adequadas. Os limites de conformação a frio aumentam à medida que a resistência aumenta; o pré-aquecimento para conformação pode ser aconselhável para seções mais espessas.
• Acabamento de superfície: Ambos aceitam usinagem convencional e tratamentos de superfície; o comportamento de moagem e polimento segue a prática típica de aços de média liga.
• Entrada de calor durante a fabricação: Controle a entrada de calor para evitar endurecimento excessivo ou crescimento de grão. Use PWHT onde exigido pelo código.

8. Aplicações Típicas

15CrMo — Usos Típicos	12Cr1MoV — Usos Típicos
Tubos e cabeçotes de caldeira para serviço de vapor em temperatura moderada	Componentes de caldeira e tubulação em alta temperatura que requerem melhor resistência ao fluência
Componentes de vasos de pressão onde o Cr–Mo custo-efetivo é aceitável	Componentes em usinas de energia e unidades petroquímicas onde resistência prolongada a altas temperaturas é necessária
Tubos e conexões para petróleo e gás em temperaturas moderadas	Tubos de superaquecedor e recalentador, cabeçotes sujeitos a carregamento de fluência a longo prazo
Partes estruturais expostas a altas temperaturas, mas não a fluência severa	Carcaça de turbina e componentes onde a estabilidade do grão e a resistência ao fluência são críticas

Racional de seleção: - Escolha 15CrMo quando custo, facilidade de fabricação e uso padrão de pressão-temperatura forem suficientes. - Escolha 12Cr1MoV quando resistência a altas temperaturas a longo prazo, resistência ao fluência e estabilidade do grão sob carga cíclica forem priorizadas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: 12Cr1MoV geralmente tem um preço premium em relação a graus Cr–Mo mais simples devido ao controle químico mais rigoroso, adições de microligação e frequentemente processamento e inspeção mais exigentes. 15CrMo é frequentemente uma escolha custo-efetiva para muitos deveres padrão em alta temperatura.
• Disponibilidade: Ambos os graus estão geralmente disponíveis em chapas, anéis forjados, barras e tubos em regiões onde as indústrias de energia fóssil e térmica estão estabelecidas. A demanda regional e a padronização local afetam os prazos de entrega—verifique a disponibilidade na forma de produto específica e no tratamento térmico que você requer.
• Dica de aquisição: Solicite certificados de material e registros de tratamento térmico; especifique PWHT e testes exigidos pelo código de equipamentos de pressão para evitar problemas de substituição.

10. Resumo e Recomendação

Critério	15CrMo	12Cr1MoV
Soldabilidade	Boa (práticas padrão de PWHT; ligeiramente mais tolerante)	Boa, mas mais exigente (maior capacidade de endurecimento requer pré-aquecimento/PWHT cuidadoso)
Resistência–Tenacidade em T elevada	Adequada para muitos serviços	Melhor resistência ao fluência e resistência a longo prazo devido aos efeitos de V e Mo
Custo	Mais baixo (geralmente mais custo-efetivo)	Mais alto (premium por microligação e desempenho)

Recomendações: - Escolha 15CrMo se você tiver aplicações padrão de vasos de pressão ou tubulação operando em temperaturas elevadas moderadas, onde custo, facilidade de fabricação e práticas padrão de PWHT são os principais fatores. - Escolha 12Cr1MoV se a aplicação exigir resistência superior ao fluência a longo prazo, estabilidade do grão e resistência a altas temperaturas sob carga sustentada ou ciclos térmicos repetidos—mesmo que isso aumente o custo do material e do processamento e exija controle mais rigoroso da soldagem e do PWHT.

Nota final de aquisição: sempre valide a designação exata do grau e os limites mecânicos/químicos em relação à norma referenciada e ao código do projeto. Para serviços críticos em alta temperatura ou de longa duração, solicite dados de ruptura por fluência, certificados de moinho completos e siga os procedimentos de soldagem exigidos pelo código e tratamentos pós-solda para garantir que o grau escolhido atenda aos requisitos em serviço.