20CrMo vs 42CrMo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
20CrMo e 42CrMo são dois aços de baixa liga amplamente utilizados em componentes de transmissão de potência, engrenagens, eixos e maquinário pesado. Engenheiros e gerentes de compras frequentemente devem escolher entre os dois ao equilibrar resistência central, dureza superficial, temperabilidade, soldabilidade e custo. Os contextos típicos de decisão incluem se um componente precisa de um revestimento endurecido com um núcleo dúctil (designs de cementação) versus um eixo totalmente endurecido e de maior resistência onde propriedades mecânicas uniformes são necessárias.
A principal distinção operacional é que uma classe é adaptada para estratégias de cementação e endurecimento superficial, produzindo um carbono em massa relativamente mais baixo, mas propriedades de revestimento melhoradas, enquanto a outra contém um carbono em massa mais alto e ligações para produzir maior resistência e tenacidade em toda a espessura após o resfriamento e têmpera. Como ambas as classes são aços de baixa liga com adições de cromo e molibdênio, elas são comumente comparadas para peças rotativas ou carregadas semelhantes, onde o tratamento térmico determina o desempenho final.
1. Normas e Designações
- 20CrMo
- Normas comumente referenciadas: designações GB (China) (por exemplo, 20CrMo), equivalentes EN (aços de cementação como 5120/20Cr) e variações JIS. Frequentemente classificado como aço de cementação de baixa liga.
- Categoria: Aço de baixa liga projetado para cementação (endurecimento de superfície).
- 42CrMo
- Normas comumente referenciadas: GB 42CrMo (42CrMo4), EN 1.7225 / 42CrMo4, AISI/SAE 4140 (equivalente próximo), JIS. Classificado como aço de liga de cromo-molibdênio para endurecimento total.
- Categoria: Aço de baixa liga, resfriado e temperado (aço estrutural/de liga).
Ambos não são aços inoxidáveis; são aços de liga (não HSLA no sentido mais estrito, mas ligados para melhorar a temperabilidade e a resistência).
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Abaixo estão os intervalos típicos de elementos usados como orientação (os intervalos refletem especificações comuns; os limites exatos dependem da norma selecionada e da condição de tratamento térmico).
| Elemento | 20CrMo típico (wt%) | 42CrMo típico (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.25 | 0.38–0.45 |
| Mn | 0.35–0.65 | 0.50–0.90 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.40–0.70 | 0.90–1.20 |
| Ni | ≤ 0.30 (menor) | ≤ 0.30 (menor) |
| Mo | 0.08–0.20 | 0.15–0.30 |
| V | ≤ 0.05 (traço) | ≤ 0.05 (traço) |
| Nb | tipicamente traço | tipicamente traço |
| Ti | tipicamente traço | tipicamente traço |
| B | tipicamente traço | tipicamente traço |
| N | tipicamente traço | tipicamente traço |
Como a liga afeta as propriedades: - Carbono: controle primário sobre resistência e temperabilidade. O carbono em massa mais baixo nos aços de cementação (20CrMo) facilita um núcleo dúctil e um bom gradiente de núcleo/revestimento após a cementação. O carbono mais alto em 42CrMo resulta em maior resistência e dureza após o resfriamento em toda a seção. - Cromo e molibdênio: aumentam a temperabilidade, resistência à têmpera e resistência; ambas as classes usam Cr e Mo, mas 42CrMo geralmente tem mais Cr e Mo para permitir o endurecimento total a níveis de resistência mais altos. - Manganês e silício: contribuem para a resistência e desoxidação. - Elementos de micro-liga (V, Nb, Ti) podem estar presentes em quantidades de traço para controlar o tamanho do grão e melhorar a tenacidade; não são elementos de liga primários nessas classes.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas e respostas típicas: - 20CrMo - Como laminado/normatizado: predominantemente microestrutura de ferrita–pearlita ou microestrutura de grão fino dependendo da normalização. - Após cementação + resfriamento & têmpera: um revestimento martensítico/cementado duro com gradiente de carbono controlado; o núcleo é martensita temperada ou ferrita–pearlita temperada com resistência relativamente mais baixa e maior ductilidade. A cementação torna 20CrMo ideal onde resistência ao desgaste superficial é necessária sem sacrificar a tenacidade do núcleo. - 42CrMo - Como laminado/normatizado: ferrita-pearlita; bom controle do tamanho do grão devido ao Cr e Mo. - Após resfriamento & têmpera: transforma-se em martensita ao resfriar e, após a têmpera, alcança alta resistência e tenacidade em toda a seção transversal. A temperatura de têmpera controla o equilíbrio resistência–tenacidade; temperaturas de têmpera mais altas diminuem a resistência e aumentam a tenacidade. - Processamento termo-mecânico: Ambas as classes respondem ao laminação controlada e resfriamento acelerado para refinar o tamanho do grão e melhorar as propriedades mecânicas; no entanto, o maior teor de carbono e liga de 42CrMo o torna mais responsivo ao fortalecimento via resfriamento & têmpera.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico e do tamanho da seção. A tabela mostra intervalos representativos para condições de tratamento térmico comumente usadas (normalizado, cementado/resfriado-temperado ou resfriado & temperado). Estes são indicativos; especifique as fichas técnicas do fornecedor ou certificados de teste para valores críticos de design.
| Propriedade | 20CrMo (típico pós-cementação/temperatura do núcleo) | 42CrMo (típico resfriado & temperado) |
|---|---|---|
| Resistência à Tração (MPa) | Núcleo: ~500–800 | ~800–1200 |
| Resistência de Escoamento (MPa) | Núcleo: ~300–600 | ~600–1000 |
| Alongamento (%) | Núcleo: moderado a bom (10–18%) | Varia com a têmpera (8–16%) |
| Tenacidade ao Impacto (J, temperatura ambiente) | Boa tenacidade do núcleo após a têmpera | Boa a muito boa com têmpera apropriada; depende do nível de têmpera |
| Dureza (HRC ou HB) | Dureza do revestimento alta (HRC 55–62), núcleo baixo (HB 170–250) | Dureza total alcançável (por exemplo, HRC ~25–55 dependendo da têmpera) |
Explicação: - Qual é mais forte? Na condição de endurecimento total, 42CrMo oferece maior resistência à tração e resistência de escoamento devido ao maior teor de carbono e liga. - Qual é mais tenaz/ductil? O menor carbono do núcleo de 20CrMo após a cementação resulta em superior ductilidade e tenacidade do núcleo, enquanto ainda fornece um revestimento resistente ao desgaste. 42CrMo pode ser projetado para um equilíbrio de tenacidade–resistência via têmpera, mas geralmente terá maior resistência e menor ductilidade do que o núcleo de uma peça de 20CrMo cementada quando ambos são otimizados para seus respectivos casos de uso.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade: - O teor de carbono e a temperabilidade são fundamentais. O maior carbono em massa e a liga aumentam o risco de martensita dura e quebradiça na zona afetada pelo calor (HAZ) e, assim, aumentam os requisitos de pré-aquecimento/interpasso e tratamento térmico pós-solda (PWHT). - 20CrMo: o menor carbono em massa melhora a soldabilidade para seções não cementadas, mas se a peça for cementada, a soldagem deve levar em conta a camada cementada (evitar soldar através do revestimento sem os procedimentos adequados). Componentes cementados geralmente requerem atenção pré e pós-solda. - 42CrMo: maior teor de carbono e liga resultam em maior propensão ao endurecimento da HAZ; pré-aquecimento controlado e PWHT são comumente exigidos para soldas estruturais para evitar trincas. - O uso de fórmulas de equivalente de carbono ajuda a avaliar a soldabilidade. Por exemplo: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretação: Valores mais altos de $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ indicam maior temperabilidade e controles de soldagem mais rigorosos. Na prática, 42CrMo geralmente apresentará medidas de equivalente de carbono mais altas do que 20CrMo, implicando em pré-aquecimento e PWHT mais restritivos.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- Nenhum dos dois, 20CrMo ou 42CrMo, é inoxidável; ambos requerem medidas de proteção onde a resistência à corrosão é necessária.
- Proteções comuns: pintura, revestimento em pó, lubrificação, fosfatização ou galvanização a quente dependendo do ambiente. Para peças com superfícies dimensionais/tratadas termicamente apertadas, revestimentos mecânicos ou acabamentos lubrificantes podem ser preferíveis.
- Índices inoxidáveis como PREN não são aplicáveis a esses aços carbono/ligados. Para referência sobre aços inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Isso não é relevante para 20CrMo ou 42CrMo porque seus níveis de Cr e Mo e a química da matriz não são projetados para resistência à corrosão por pite.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- 20CrMo: maquinabilidade moderada em condição de recozimento ou normalização; o baixo carbono em massa melhora a facilidade de usinagem nas regiões do núcleo. Superfícies cementadas são difíceis de usinar após a têmpera.
- 42CrMo: maquinabilidade pior do que aços de baixo carbono quando endurecido; na condição normalizada ou recozida, a usinagem é gerenciável, mas vibrações e desgaste da ferramenta são considerações devido ao maior teor de carbono e liga.
- Formabilidade:
- 20CrMo (recozido/normatizado): melhor capacidade de conformação a frio e dobra devido ao menor carbono do núcleo. A conformação pós-cementação não é típica.
- 42CrMo: formabilidade a frio limitada em condições de maior resistência; projetar para conformação no estado recozido/normatizado antes do tratamento térmico final.
- Acabamento superficial: Ambos respondem bem ao desbaste, jateamento e acabamento superficial. O desbaste de componentes endurecidos requer seleção adequada de ferramentas e controle de refrigerante.
8. Aplicações Típicas
| 20CrMo (classe de cementação) | 42CrMo (classe de endurecimento total) |
|---|---|
| Engrenagens (engrenagens de transmissão com revestimento cementado) | Eixos e eixos que requerem alta resistência à torção |
| Eixos de engrenagem e pinhões com superfície de desgaste dura | Fixadores de alta resistência, eixos de serviço pesado |
| Buchas ou componentes que requerem superfície resistente ao desgaste e núcleo resistente | Virabrequins, componentes de maquinário pesado que necessitam de resistência uniforme |
| Componentes projetados para o processo de cementação para combinar resistência ao desgaste e tenacidade | Partes estruturais onde o endurecimento total e propriedades em massa previsíveis são necessárias |
Racional de seleção: - Escolha 20CrMo se o design se beneficiar de uma superfície dura e resistente ao desgaste (revestimento) com um núcleo dúctil e resistente — típico de engrenagens e superfícies de contato altamente carregadas onde o desgaste por contato é crítico. - Escolha 42CrMo se a aplicação exigir maior resistência uniforme em massa e resistência à fadiga em toda a seção transversal e onde o endurecimento total é aceitável ou necessário.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: 42CrMo geralmente custa mais por tonelada do que aços de carbono simples devido ao maior teor de liga e requisitos de processamento mais rigorosos; 20CrMo pode ter preço semelhante ou ligeiramente inferior dependendo da classe e do mercado, mas pode incorrer em custos de processo adicionais (cementação).
- Disponibilidade por forma de produto: Ambas as classes estão amplamente disponíveis globalmente em barras, forjados e chapas de aço de usinas e distribuidores especializados. 42CrMo (ou equivalentes como AISI 4140 / 42CrMo4) é uma liga padrão frequentemente estocada; classes de cementação como 20CrMo também são comuns, mas podem ser fornecidas como blanks normalizados ou pré-cementados.
- Custo total de propriedade: considere o tratamento térmico (custo do ciclo de cementação para 20CrMo), usinagem/desbaste pós-tratamento térmico e qualquer teste não destrutivo adicional ou proteção superficial. Uma classe base aparentemente mais barata pode se tornar mais cara após os passos de cementação e acabamento.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | 20CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor para soldagem do núcleo; evite soldar através do revestimento cementado sem controles | Mais restritivo — pré-aquecimento/PWHT mais altos frequentemente exigidos |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Excelente combinação núcleo/revestimento para desgaste + tenacidade | Maior resistência em toda a espessura; tenacidade ajustável pela têmpera |
| Custo | Custo base competitivo; custo de processo adicional para cementação | Custo de liga mais alto; rota de tratamento térmico mais simples para endurecimento total |
Recomendação: - Escolha 20CrMo se você precisar de uma superfície endurecida para resistência ao desgaste enquanto preserva um núcleo dúctil e resistente — típico para engrenagens, pinhões e eixos cementados. - Escolha 42CrMo se você exigir maior resistência em toda a espessura e uma condição previsível de resfriamento e têmpera para eixos, eixos ou componentes estruturais pesadamente carregados onde propriedades uniformes são críticas.
Nota final: Sempre correlacione a seleção de material com a vida útil específica do design, carregamento por fadiga, restrições dimensionais e tratamentos pós-fabricação (cementação, nitretação, resfriamento & têmpera, PWHT). Confirme os limites químicos e mecânicos exatos a partir do certificado da usina ou norma aplicável antes de finalizar as especificações de aquisição ou design.