15CrMo vs 20CrMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

15CrMo e 20CrMo são dois aços liga de cromo-molibdênio comumente encontrados em aplicações de vasos de pressão, geração de energia e componentes mecânicos. Engenheiros e equipes de compras frequentemente decidem entre eles ao equilibrar requisitos como resistência a altas temperaturas e resistência ao fluência, em comparação com dureza e resistência à tração em partes fortemente carregadas. Os contextos típicos de decisão incluem se a peça operará por longos períodos a altas temperaturas (favorecendo menor carbono/maior estabilidade térmica) ou se são necessárias maior resistência e endurecimento após a têmpera (favorecendo a liga de maior carbono).

A principal distinção técnica entre essas ligas reside em seu teor de carbono e o efeito resultante sobre a capacidade de endurecimento e o comportamento de têmpera: a liga de menor carbono oferece melhor tenacidade e usabilidade a altas temperaturas, enquanto a liga de maior carbono pode alcançar maior resistência e resistência ao desgaste após tratamento térmico apropriado. Como ambos são aços Cr–Mo, eles são frequentemente comparados para componentes de serviço a pressão em temperaturas médias e para partes estruturais/mecânicas onde soldabilidade, resposta ao tratamento térmico e custo são importantes.

1. Normas e Designações

• Normas comuns e referências cruzadas:
• GB/T (China): designações como 15CrMo e 20CrMo aparecem nas especificações GB para aços de vasos de pressão.
• EN / DIN: aços Cr–Mo semelhantes são encontrados sob as famílias EN/DIN (por exemplo, 13CrMo4-5; a equivalência exata depende da química e do tratamento térmico).
• JIS (Japão) e ASTM/ASME (EUA): aços equivalentes ou de propósito semelhante existem, mas correspondências exatas de grau requerem confirmação química e mecânica.
• Classificação:
• Tanto 15CrMo quanto 20CrMo são aços liga (aços de baixo carbono Cr–Mo), não inoxidáveis, não aços para ferramentas e não HSLA no sentido estrito. Eles são frequentemente usados para vasos de pressão, tubulações e peças mecânicas expostas a altas temperaturas.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: Intervalos típicos de composição nominal (representativa; verificar contra a norma específica ou certificado do moinho para o projeto final).

Elemento	15CrMo (intervalos típicos)	20CrMo (intervalos típicos)
C	0.10–0.18 wt%	0.17–0.24 wt%
Mn	0.35–0.65 wt%	0.35–0.65 wt%
Si	0.10–0.37 wt%	0.10–0.37 wt%
P	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%
S	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%
Cr	~0.8–1.1 wt%	~0.8–1.3 wt%
Mo	~0.12–0.25 wt%	~0.12–0.30 wt%
Ni	≤ 0.30 wt% (traço)	≤ 0.30 wt% (traço)
V, Nb, Ti, B, N	Não são tipicamente adicionados em quantidades significativas; podem estar presentes em níveis de traço/microaliagem	O mesmo

Notas: - Esses intervalos são ilustrativos da química de moinho comumente encontrada para os dois nomes de grau; normas específicas (GB/T, EN, JIS, ASTM) e números de calor determinam os limites exatos. - Estratégia de liga: Cr e Mo aumentam a capacidade de endurecimento, resistência à temperatura e resistência à têmpera. O carbono aumenta a resistência após a têmpera e a capacidade de endurecimento, mas reduz a ductilidade/tenacidade e a soldabilidade quando aumentado. O manganês e o silício são desoxidantes e contribuem para a resistência e a capacidade de endurecimento.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestrutura como laminado / normalizada:
• 15CrMo em condição normalizada é tipicamente uma microestrutura de ferrita–pearlita ou bainítica fina com dureza retida relativamente baixa e boa tenacidade; escolhida para partes de pressão que operam a altas temperaturas.
• 20CrMo, com maior teor de carbono e Cr–Mo comparável, pode formar perlita mais fina ou se transformar em bainita/martensita mais prontamente durante o resfriamento rápido, resultando em maior dureza e resistência após a têmpera e têmpera.
• Efeitos do tratamento térmico:
• Normalização/refino: ambos os aços respondem à normalização (resfriamento ao ar a partir da temperatura de austenitização) produzindo ferrita–pearlita fina ou bainita dependendo da taxa de resfriamento; 20CrMo tende a desenvolver maior dureza devido ao teor de carbono.
• Têmpera e têmpera: 20CrMo alcança maior resistência após a têmpera e maior resistência endurecida, mas é mais suscetível a trincas de têmpera e requer controle mais rigoroso das temperaturas de pré-aquecimento e interpassagem para soldagem. 15CrMo alcança resistência adequada para serviço de vasos de pressão com menor sensibilidade à têmpera.
• Processamento termo-mecânico: laminação controlada e resfriamento acelerado podem melhorar a resistência e a tenacidade para ambas as ligas, mas a liga de menor carbono geralmente oferece uma microestrutura mais tolerante a danos para serviço a altas temperaturas.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Propriedades comparativas (comportamento qualitativo/típico; verificar certificação do produto para valores exatos)

Propriedade	15CrMo	20CrMo	Notas
Resistência à Tração	Moderada	Maior	20CrMo atinge maior resistência à tração após têmpera e têmpera devido ao maior C/capacidade de endurecimento
Resistência ao Escoamento	Moderada	Maior	20CrMo apresenta escoamento a maior tensão após tratamento térmico
Alongamento (%)	Maior (mais dúctil)	Menor (menos dúctil)	Maior carbono reduz a ductilidade
Tenacidade ao Impacto	Melhor a altas temperaturas	Boa a temperatura ambiente quando temperado, mas menor a altas temperaturas	15CrMo destinado a tenacidade sustentada a altas temperaturas
Dureza (HRC/HRB)	Menor (mais fácil de usinar/formar)	Maior (quando tratado termicamente)	20CrMo pode alcançar maior dureza após tratamento térmico apropriado

Interpretação: - Para condições de tratamento térmico comparáveis destinadas ao serviço de vasos de pressão (condições temperadas), 15CrMo geralmente oferece uma resposta mais dúctil e tenaz a temperaturas de serviço, enquanto 20CrMo pode ser usado onde maior resistência após a têmpera e resistência ao desgaste são necessárias. - Os projetistas devem adequar o tratamento térmico ao ambiente de serviço: para resistência à fluência, estabilidade de têmpera e menor carbono podem ser desejáveis; para componentes de suporte de carga que requerem maior resistência/tração, maior carbono/capacidade de endurecimento pode ser priorizado.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende principalmente do equivalente de carbono e da liga. Dois índices empíricos amplamente utilizados 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: - 20CrMo, tendo maior teor de carbono, geralmente terá um $CE_{IIW}$ e um $P_{cm}$ mais altos do que 15CrMo para os mesmos níveis de Mn, Cr e Mo — indicando maior suscetibilidade ao endurecimento da HAZ e trincas a frio, a menos que pré-aquecimento apropriado e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) sejam aplicados. - O menor carbono de 15CrMo reduz a necessidade de pré-aquecimento intenso e permite práticas de soldagem mais tolerantes, embora PWHT ainda seja frequentemente necessário para serviço de vasos de pressão para aliviar tensões residuais e temperar a HAZ. - Ambas as ligas contêm Cr e Mo que aumentam a capacidade de endurecimento; os procedimentos de soldagem (pré-aquecimento, interpassagem e PWHT) devem ser qualificados de acordo com o código (por exemplo, ASME Seção IX) para aplicações de pressão.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, 15CrMo ou 20CrMo, é inoxidável; ambos requerem proteção de superfície em ambientes corrosivos.
• Proteções típicas: pintura, sistemas de revestimento industrial, galvanização (onde apropriado para temperatura de projeto e serviço), ou revestimento com ligas resistentes à corrosão para ambientes mais agressivos.
• PREN não é aplicável para esses aços de baixa liga não inoxidáveis, mas ao discutir resistência à corrosão para ligas inoxidáveis, usa-se:

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

• Para resistência à oxidação/escamação a altas temperaturas, o teor de Cr e Mo ajuda, mas para verdadeira resistência à corrosão (cloretos, meios ácidos) são necessárias ligas inoxidáveis ou revestimento de superfície.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: 15CrMo (menor carbono) é geralmente mais fácil de usinar do que 20CrMo em condições de tratamento térmico semelhantes. A maior dureza em 20CrMo aumenta as forças de corte e o desgaste da ferramenta.
• Formação/dobra: 15CrMo tolera melhor a formação e dobra a frio devido à maior ductilidade; 20CrMo pode exigir raios de dobra menores ou recozimento/normalização antes da formação.
• Acabamento: Retificação, polimento e jateamento são semelhantes, mas a maior dureza de 20CrMo pode exigir ferramentas mais agressivas ou taxas de avanço mais lentas.
• Soldagem e fabricação: ambas as ligas geralmente requerem pré-aquecimento e PWHT quando usadas em aplicações de pressão; o grau e a temperatura dependem do equivalente de carbono e da espessura.

8. Aplicações Típicas

Tabela: Usos típicos

15CrMo	20CrMo
Componentes de caldeiras e vasos de pressão para temperaturas elevadas moderadas	Eixos mecânicos, parafusos, porcas e componentes de suporte de carga que requerem maior resistência após têmpera
Tubulações e conexões em usinas de energia onde a tenacidade a temperatura é necessária	Engrenagens, acoplamentos pesados e partes estruturais onde maior resistência ou resistência ao desgaste é necessária após tratamento térmico
Tubos de trocadores de calor, cabeçotes e flanges onde resistência à fluência e estabilidade térmica são importantes	Componentes de ajuste por pressão ou ajuste por contração e partes sujeitas a cargas mecânicas cíclicas (após tratamento térmico adequado)

Racional de seleção: - Escolha 15CrMo onde desempenho sustentado a temperatura, ductilidade e soldabilidade com menor risco de trincas por hidrogênio são prioridades (vasos de pressão e tubulações). - Escolha 20CrMo onde maior resistência, dureza e resistência ao desgaste são necessárias e onde o tratamento térmico controlado é viável.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo da matéria-prima: ambos são aços liga Cr–Mo; as diferenças de custo de material são modestas e amplamente determinadas pela oferta local, forma (placa, barra, tubo) e requisitos de processamento.
• Custo de processamento: 20CrMo pode ter custos de processamento mais altos devido a controles de tratamento térmico/soldagem mais rigorosos e potencialmente usinagem/ferramentas mais caras se maior dureza for alvo.
• Disponibilidade: Ambas as ligas estão amplamente disponíveis em formas de produto comuns (placa, barra, tubo sem costura) em muitos mercados industriais; condições específicas de tratamento térmico e certificações de materiais de pressão de grande diâmetro podem ser mais limitadas e exigir prazos de entrega mais longos.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: Comparação de alto nível

Atributo	15CrMo	20CrMo
Soldabilidade	Melhor (menor CE)	Requer pré-aquecimento/PWHT mais rigoroso (maior CE)
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Boa tenacidade, resistência moderada	Maior resistência alcançável, menor ductilidade quando endurecido
Custo (material + processamento)	Baixo a moderado	Moderado a alto (dependendo do tratamento térmico)

Recomendações: - Escolha 15CrMo se você precisar de uma liga Cr–Mo para serviço a temperaturas elevadas moderadas, componentes de vasos de pressão ou tubulações onde a estabilidade térmica a longo prazo, tenacidade e soldabilidade mais tolerante são importantes. - Escolha 20CrMo se você precisar de maior resistência à tração ou capacidade de endurecimento para peças mecânicas, engrenagens, eixos ou componentes que serão temperados e endurecidos a um nível mais alto de dureza e resistência, e onde você pode controlar os procedimentos de tratamento térmico e soldagem.

Nota final: Sempre confirme as propriedades mecânicas requeridas, a condição de tratamento térmico e a química do certificado do moinho contra o código ou especificação que rege sua aplicação. Para equipamentos de pressão soldados, siga o código de projeto aplicável (ASME, EN, GB/T) e valide os procedimentos de soldagem e os requisitos de PWHT com base no equivalente de carbono calculado e na espessura.