20R vs 20MnR – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente decidem entre aços carbono de baixo liga que equilibram custo, conformabilidade e desempenho mecânico. Dois graus encontrados em compras e design são 20R e 20MnR. Os contextos típicos de decisão incluem a escolha de um material base para componentes forjados ou usinados, onde as compensações entre resistência, tenacidade, endurecibilidade e soldabilidade são importantes — por exemplo, eixos, pinos, engrenagens e partes estruturais soldadas.

A principal distinção de engenharia entre esses graus é que um é essencialmente um aço carbono simples de baixo carbono, enquanto o outro é deliberadamente ligado com manganês para aumentar a endurecibilidade e a resistência sem um grande sacrifício na ductilidade. Essa diferença afeta a resposta ao tratamento térmico, as propriedades mecânicas e a adequação para diferentes rotas de fabricação, razão pela qual os projetistas comumente os comparam.

1. Normas e Designações

• Sistemas de normas comuns onde graus com designações semelhantes aparecem:
• GB/T (China) — graus como 20, 20Mn, 20R, 20MnR são usados na prática nacional e em catálogos de fornecedores.
• EN (Europa) — graus EN aproximadamente comparáveis incluem aços nas famílias 1.0xxx ou 1.1xxx (por exemplo, EN C20, C20E) e aços de baixo liga (por exemplo, equivalentes a 20Mn).
• JIS (Japão) e ASTM/ASME (EUA) nem sempre usam os mesmos rótulos numéricos, mas aços equivalentes existem (por exemplo, AISI 1020 para aços carbono simples 0.20%C).
• Classificação:
• 20R — aço estrutural de baixo carbono (aço carbono simples), usado para partes estruturais gerais e usinadas.
• 20MnR — aço carbono de baixo liga (carbono + manganês), categorizado como um aço estrutural reforçado com manganês; às vezes especificado para melhor endurecibilidade ou resistência em seções mais espessas.
• Nota: O sufixo “R” pode aparecer em designações de fornecedores ou nacionais para denotar processamento específico (por exemplo, grau com borda, laminado ou refinado) em algumas normas. Sempre confirme a norma exata e o certificado do moinho quando a compra exigir propriedades precisas.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo resume características composicionais típicas. Estas são faixas representativas da indústria usadas para ilustrar o contraste entre os dois graus; sempre use a composição exata do certificado do moinho ou da norma aplicável ao projetar ou adquirir.

Como a estratégia de liga afeta o desempenho: - O carbono controla predominantemente a resistência e a endurecibilidade; ambos os graus são de baixo carbono para boa conformabilidade e soldabilidade. - O manganês em 20MnR aumenta a resistência à tração, a endurecibilidade (capacidade de formar martensita/bainita em seções mais espessas com resfriamento mais rápido) e contribui para a tenacidade quando tratado termicamente de forma adequada. - Outros elementos de liga e traços (Si, S, P) são controlados para equilibrar ductilidade, usinabilidade e conformabilidade.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas e como o processamento afeta cada grau:

• 20R:
• Como laminado ou normalizado: predominantemente ferrita com perlita dispersa — matriz macia e dúctil adequada para conformação e usinagem.
• Resfriamento e tempera: endurecibilidade limitada devido ao baixo Mn; superfícies e seções finas podem ser endurecidas, mas seções mais espessas não desenvolverão altas frações de martensita sem resfriamento muito rápido.

• A normalização melhora a uniformidade e refina o tamanho do grão, proporcionando modestos aumentos na resistência e tenacidade.

• 20MnR:

• Como laminado ou normalizado: ferrita mais uma fração de volume maior de perlita do que 20R, devido ao teor de Mn; a microestrutura é mais dura e menos deformável no estado entregue.
• Resfriamento e tempera: maior endurecibilidade permite endurecimento mais profundo em seções mais espessas; com ciclos T/T adequados, 20MnR pode alcançar níveis de resistência mais altos e tenacidade favorável.
• Processamento termo-mecânico (laminação controlada) pode produzir uma microestrutura refinada de ferrita/perlita ou bainítica com melhor equilíbrio entre resistência e tenacidade.

Implicação prática: 20MnR responde melhor ao resfriamento/tempera e oferece maior resistência alcançável em seções transversais maiores do que 20R para condições de tratamento térmico comparáveis.

4. Propriedades Mecânicas

Contrastes representativos de propriedades mecânicas são apresentados qualitativamente e com faixas típicas que os engenheiros comumente usam para seleção. Use certificados de moinho ou relatórios de teste para números de design precisos.

Qual é mais forte, mais resistente ou mais dúctil, e por quê: - Resistência: 20MnR geralmente fornece maior resistência (tanto à tração quanto ao escoamento) para o mesmo tratamento térmico porque o manganês promove uma microestrutura perlítica/bainítica mais dura e aumenta a endurecibilidade. - Tenacidade: Com processamento apropriado, 20MnR pode igualar ou superar a tenacidade ao impacto de 20R; no entanto, tratamento térmico inadequado ou taxas de resfriamento excessivas podem fragilizar aços com maior teor de Mn. - Ductilidade: 20R tende a ser mais dúctil na condição de recozido/normalizado devido à menor fração de constituintes duros.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é influenciada pelo equivalente de carbono e microligação. Duas fórmulas empíricas comumente usadas são úteis para interpretação qualitativa; insira as formas aplicáveis aqui para avaliação.

Exibir forma do equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Um parâmetro mais abrangente usado em algumas especificações: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - 20R: Menor Mn e baixo C dão valores de equivalente de carbono relativamente baixos → geralmente boa soldabilidade, baixo risco de trincas a frio e mínima pré-aquecimento necessário para seções finas. - 20MnR: Mn elevado aumenta $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em comparação com 20R, indicando maior risco de formação de zona dura e trincas assistidas por hidrogênio na zona afetada pelo calor (HAZ) para seções espessas ou soldas com alta restrição. Pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas, metalurgia de preenchimento apropriada e tratamento térmico pós-solda (PWHT) podem mitigar riscos. - Elementos de microligação (se presentes) e tensões residuais também afetam a soldabilidade. Sempre calcule equivalentes de carbono para a química certificada real e siga as especificações de procedimentos de soldagem (WPS).

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, 20R ou 20MnR, são aços inoxidáveis. A resistência à corrosão é típica de aços de baixo carbono e requer proteção de superfície para ambientes expostos.
• Métodos de proteção típicos: pintura, revestimento, galvanização a quente, eletrodeposição ou proteção contra corrosão sacrificial, dependendo do ambiente de serviço e da vida útil do projeto.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a aços de baixo liga não inoxidáveis; use o seguinte apenas para ligas inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Orientação de seleção: Se a resistência à corrosão for um fator significativo, especifique revestimentos protetores apropriados ou escolha ligas inoxidáveis ou resistentes à corrosão em vez de 20R/20MnR.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Usinabilidade:
• 20R: Geralmente boa usinabilidade na condição recozida/normalizada; menor Mn e menor dureza facilitam o corte.
• 20MnR: Usinabilidade ligeiramente reduzida devido à maior resistência e microestrutura mais dura; a usinabilidade melhora após recozimento ou tempera apropriada.
• Conformabilidade e trabalho a frio:
• 20R: Melhor para dobra, estampagem profunda e conformação a frio devido à maior ductilidade.
• 20MnR: A conformabilidade é adequada para muitos usos estruturais, mas pode exigir raios de dobra maiores ou recozimento intermediário para conformação severa.
• Acabamento de superfície:
• Ambos aceitam métodos de acabamento padrão (desbaste, polimento, jateamento), mas a maior resistência (20MnR) aumenta o desgaste das ferramentas e a energia necessária para a conformação.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 20R quando o projeto prioriza conformabilidade, soldabilidade e menor custo de material, e quando os níveis de resistência exigidos são modestos ou alcançáveis com processamento mais simples. - Escolha 20MnR quando maior resistência entregue ou melhor endurecibilidade em seções mais espessas for necessária, ou quando o processamento de resfriamento e tempera for pretendido para alcançar metas de desempenho mais altas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: 20MnR é tipicamente ligeiramente mais caro do que o 20R simples devido ao teor de manganês mais alto deliberado e potenciais controles de processamento adicionais. O prêmio exato depende das ofertas regionais do moinho e das condições de mercado.
• Disponibilidade: Ambos os graus estão comumente disponíveis em chapas, barras e forjados de moinhos e distribuidores regionais, mas a disponibilidade de 20MnR certificado em certas formas de produto (por exemplo, grandes forjados, tratamentos térmicos específicos) pode ser mais limitada do que o 20R simples. Os prazos de entrega podem variar por forma, tamanho e tratamento térmico.

10. Resumo e Recomendação

Recomendação: - Escolha 20R se você precisar de um aço econômico, facilmente usinável e conformável para componentes estruturais gerais, partes usinadas ou montagens soldadas onde a endurecibilidade de seções pesadas não é necessária. - Escolha 20MnR se a aplicação exigir melhor endurecibilidade, maior resistência entregue ou a capacidade de alcançar maior resistência por resfriamento e tempera em seções mais espessas — por exemplo, eixos, engrenagens ou componentes onde a dureza total ou resistência à fadiga elevada é importante.

Notas finais: - Sempre verifique a especificação química e mecânica exata no certificado de teste do moinho e especifique a norma relevante na ordem de compra. - Para estruturas soldadas ou componentes críticos, calcule o equivalente de carbono aplicável (por exemplo, $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$) usando a química certificada e siga procedimentos de soldagem qualificados. - Quando corrosão, vida útil à fadiga ou tenacidade à fratura forem requisitos de design predominantes, realize testes de qualificação de material ou escolha materiais especificamente especificados para essas propriedades.