3Cr13 vs 4Cr13 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

3Cr13 e 4Cr13 são graus de aço inoxidável martensítico que são amplamente utilizados em componentes onde a resistência moderada à corrosão deve ser equilibrada com resistência ao desgaste e resistência (exemplos: talheres, válvulas, eixos e peças de bomba). Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam um compromisso entre resistência mecânica/dureza e ductilidade/weldabilidade ao selecionar entre esses dois graus.

A principal diferença técnica é o maior teor de carbono em 4Cr13 em comparação com 3Cr13, que aumenta a dureza, a dureza alcançável e a resistência em detrimento da ductilidade e da soldabilidade. Como eles compartilham um teor de cromo semelhante, ambos oferecem resistência básica à corrosão comparável em relação aos aços inoxidáveis martensíticos, mas seu processamento e propriedades finais divergem principalmente devido ao carbono e a sutis diferenças de liga.

1. Normas e Designações

• Designação primária: convenção de nomenclatura nacional chinesa (GB) — 3Cr13 e 4Cr13.
• Classificação: Aços inoxidáveis martensíticos (inox, temperáveis, tipicamente tratáveis termicamente para martensita).
• Equivalentes aproximados de família: Esses graus estão na mesma família geral que os aços inoxidáveis martensíticos AISI/UNS (comumente comparados com a série 410/420), mas não há garantia de correspondência 1:1 entre as normas — consulte documentos normativos específicos ou certificados de fábrica para mapeamentos exatos.
• Outras normas a serem consultadas para materiais inoxidáveis martensíticos comparáveis: ASTM/ASME (família A240 para chapas/folhas inoxidáveis; números UNS específicos para barras), JIS (série martensítica SUS) e EN (designações de aço inoxidável martensítico). Sempre verifique as tabelas de composição e propriedades mecânicas na norma aplicável ou na ficha técnica do fornecedor.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: Intervalos típicos de composição química (wt%). Estes são intervalos representativos frequentemente usados em especificações; sempre verifique a composição exata a partir dos certificados de material.

Elemento	3Cr13 (intervalo típico)	4Cr13 (intervalo típico)
C	0.18 – 0.30	0.28 – 0.40
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	12.0 – 14.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.1 (frequentemente não especificado)	≤ 0.1
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	traço	traço

Notas: - O elemento de liga deliberado dominante é o cromo (≈12–14%) para fornecer comportamento inoxidável básico e suportar a matriz martensítica após o resfriamento.
- A principal diferença deliberada é o carbono: 4Cr13 é formulado com maior teor de carbono para aumentar a dureza e a dureza alcançável. Elementos menores (Mn, Si) são principalmente desoxidantes e influenciarão marginalmente a dureza; Mo, V (se presentes) aumentarão ligeiramente a dureza e a resistência ao revenido. Ti/Nb/B geralmente não estão presentes em quantidades notáveis para esses graus.

Como a liga afeta o comportamento: - Carbono: aumenta a resistência à tração, dureza e resistência ao desgaste promovendo a formação de martensita e carbonetos; reduz a ductilidade e a soldabilidade.
- Cromo: fornece resistência à corrosão (filme passivo) e aumenta a dureza; cromo muito baixo reduz o desempenho contra corrosão.
- Mo, V: quando presentes em pequenas quantidades, aumentam a resistência ao revenido e a resistência ao desgaste.
- Mn/Si: influenciam ligeiramente a desoxidação, resistência e tenacidade.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Ambos os graus são projetados para serem tratados termicamente em uma microestrutura martensítica. Rotas e respostas metalúrgicas típicas:

• Como fornecido (recozido ou normalizado): ferrítico/pearlítico com alguns carbonetos dependendo do nível de carbono. 3Cr13 geralmente terá uma matriz mais macia com distribuição de carbonetos mais fina em comparação com 4Cr13 no mesmo estado de processamento.
• Resfriamento e revenido: rota padrão para desenvolver estrutura martensítica e equilíbrio desejado de dureza/tenacidade.
• Austenitização (intervalo típico para aços inoxidáveis martensíticos semelhantes: 980–1050 °C) para dissolver carbonetos e formar austenita homogênea.
• Resfriar para transformar austenita em martensita. O maior teor de carbono (4Cr13) produz uma maior proporção de martensita dura e carbonetos retidos; 4Cr13 geralmente alcançará maior dureza para o mesmo resfriamento do que 3Cr13.
• Revenido a 150–650 °C dependendo do compromisso de dureza/tenacidade desejado. O revenido reduz a dureza, mas melhora a tenacidade; 4Cr13 requer um revenido mais cuidadoso para manter a resistência à fadiga e evitar fragilidade excessiva.
• Normalização: pode refinar o tamanho do grão e reduzir a segregação; seguido de revenido conforme necessário.
• Processamento termo-mecânico: trabalho a frio e subsequente revenido influenciarão a densidade de discordâncias e a resistência final; 4Cr13 é mais sensível ao endurecimento por trabalho a frio devido ao maior C.

Consequências microestruturais: - 3Cr13: martensita com menor teor de carbono — dureza um pouco menor, melhor ductilidade e tenacidade quando revenido de forma comparável. - 4Cr13: martensita com maior carbono — maior dureza e resistência ao desgaste, maior risco de martensita frágil e rede de carbonetos se tratado termicamente de forma inadequada.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Intervalos típicos de propriedades mecânicas após processamento típico de resfriamento e revenido (nota: os valores são ilustrativos; verifique com os dados do fornecedor).

Propriedade	3Cr13 (típico)	4Cr13 (típico)
Resistência à tração (MPa)	600 – 900	800 – 1100
Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa)	350 – 650	550 – 900
Alongamento (%)	10 – 20	6 – 15
Tenacidade ao impacto (J, Charpy V-notch)	moderada (varia com o revenido)	menor (na mesma dureza)
Dureza (HRC, revenido)	HRC 38 – 52	HRC 45 – 58

Interpretação: - 4Cr13 pode alcançar níveis de resistência e dureza mais altos do que 3Cr13 devido ao seu maior teor de carbono e ligeiramente maior dureza.
- 3Cr13 tende a ser mais tenaz e mais dúctil em condições de revenido equivalentes; 4Cr13 troca ductilidade e tenacidade por mais resistência ao desgaste e maior resistência estática.
- A tenacidade ao impacto é altamente dependente do revenido; para aplicações que requerem resistência a choques ou impactos, o revenido adequado é crítico e 3Cr13 geralmente oferece uma janela de tenacidade mais ampla.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é influenciada principalmente pelo carbono e pela dureza. O maior teor de carbono aumenta o risco de formação de martensita na zona afetada pelo calor (HAZ), aumentando a propensão a trincas e exigindo pré-aquecimento/Tratamento Térmico Pós-Solda (PWHT).

Fórmulas preditivas úteis (interpretação qualitativa apenas): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (índice de soldabilidade): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Orientação qualitativa: - Como 4Cr13 tem maior C, seu $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ calculados serão tipicamente mais altos do que os de 3Cr13, indicando pior soldabilidade e maior probabilidade de endurecimento da HAZ e trincas a frio.
- Melhor prática: controlar o pré-aquecimento, limitar as taxas de resfriamento entre passes, usar metais de adição apropriados (com teor de carbono correspondente ou ligeiramente inferior) e aplicar PWHT onde necessário para temperar a martensita da HAZ. 3Cr13 é mais tolerante a práticas de soldagem convencionais, mas ainda pode exigir pré-aquecimento para seções mais grossas ou condições de restrição.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Ambos os graus são martensíticos inoxidáveis (≈12–14% Cr): formam uma camada passiva protetora e têm melhor resistência à corrosão do que os aços carbono comuns, mas são inferiores a graus austeníticos (304/316) e duplex em meios agressivos.
• PREN (Número Equivalente de Resistência à Corrosão por Pite) geralmente não é útil para esses aços inoxidáveis martensíticos de baixo Mo e baixo N. Para completude: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Com Mo e N tipicamente próximos de zero nesses graus, os valores de PREN são baixos em comparação com ligas duplex ou austeníticas; portanto, esses graus são adequados para ambientes levemente corrosivos (atmosféricos, levemente ácidos/alcalinos, exposição limitada a cloretos), mas não para meios severos contendo cloreto sem revestimentos ou proteção catódica.
• A proteção de superfície para comparáveis não inoxidáveis não é aplicável; para esses martensíticos inoxidáveis, as medidas protetoras comuns incluem passivação após a fabricação, galvanização, polimento controlado e revestimentos protetores em serviço (tintas orgânicas, revestimentos sacrificial) quando o risco de cloreto ou pite é significativo.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: O 4Cr13 de maior carbono tende a ser mais duro na condição recozida e causará maior desgaste das ferramentas; no entanto, na condição recozida, ambos os graus são razoavelmente usináveis com ferramentas e velocidades adequadas. O 4Cr13 endurecido será mais difícil de usinar se não for amolecido.
• Formabilidade: O 3Cr13 oferece melhor conformação a frio e dobrabilidade do que o 4Cr13 devido ao menor carbono; a conformação profunda ou severa é limitada para ambos em comparação com aços inoxidáveis austeníticos.
• Desbaste, polimento e acabamento de superfície: A maior dureza do 4Cr13 proporciona melhor resistência ao desgaste em serviço, mas pode precisar de operações de acabamento mais agressivas. O tratamento térmico e o revenido antes da usinagem/acabamento final são recomendados para evitar distorções.
• Distorção do tratamento térmico: Ambos os graus são propensos a distorções durante as operações de resfriamento e revenido; fixação cuidadosa, resfriamento gradual e folgas de usinagem apropriadas são necessárias.

8. Aplicações Típicas

3Cr13 – Usos Típicos	4Cr13 – Usos Típicos
Lâminas de faca e talheres onde são necessárias tenacidade e resistência à corrosão equilibradas	Ferramentas de corte e facas onde maior retenção de fio e resistência ao desgaste são desejadas
Eixos de bomba, componentes de válvula com demandas moderadas de desgaste	Componentes propensos ao desgaste, roletes, pinos e peças que requerem maior dureza
Acabamentos automotivos, fixadores e acessórios onde alguma dobra/conformação é necessária	Componentes de rolamento de pequeno volume, pinos de desgaste e eixos endurecidos
Peças inoxidáveis martensíticas de uso geral onde a soldagem/reparabilidade é um fator	Peças onde a tempera total e maior resistência estática são requisitos primários

Racional de seleção: - Escolha 4Cr13 onde a retenção de fio, maior dureza e resistência ao desgaste são primordiais; escolha 3Cr13 onde ductilidade, resistência ao impacto e facilidade de fabricação/soldagem são importantes. Considerações de custo e requisitos de acabamento de superfície também influenciam a decisão.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: 4Cr13 é tipicamente precificado um pouco mais alto do que 3Cr13 devido ao maior teor de carbono e ao processamento necessário para alcançar e controlar propriedades de dureza mais altas; no entanto, as diferenças de preço são modestas em comparação com graus de liga mais alta (por exemplo, martensíticos ou austeníticos contendo Mo).
• Disponibilidade: Ambos os graus estão amplamente disponíveis em regiões com cadeias de suprimento de aço inoxidável estabelecidas (chapas, barras, tiras, blanks). A forma do produto (barras, chapas, tiras) e o acabamento (laminado a frio, recozido, endurecido) influenciarão os prazos de entrega e o custo. Para compras em grande volume, verifique os certificados de fábrica e os testes de lote para o teor de carbono para garantir as propriedades mecânicas pretendidas.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: Resumo comparativo rápido

Atributo	3Cr13	4Cr13
Soldabilidade	Melhor (menor carbono)	Menor (maior carbono, mais risco de HAZ)
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Resistência moderada com melhor tenacidade	Maior resistência e dureza, menor tenacidade
Custo	Levemente mais baixo	Levemente mais alto

Conclusão e recomendação prática: - Escolha 3Cr13 se você precisar de um inoxidável martensítico equilibrado com melhor ductilidade e soldabilidade, facilidade de conformação e custo ligeiramente mais baixo — apropriado para componentes que requerem alguma resistência ao impacto, reparabilidade ou resistência moderada ao desgaste. - Escolha 4Cr13 se o design prioriza maior dureza, resistência ao desgaste e resistência estática onde a retenção de fio ou desgaste abrasivo são críticos e onde um controle mais rigoroso do tratamento térmico é aceitável; espere maior atenção aos procedimentos de soldagem, pré-aquecimento e revenido para evitar fragilidade.

Nota final: A seleção exata deve ser validada contra os certificados de fábrica do fornecedor, geometria do componente, condições de restrição durante a soldagem e o ambiente de serviço específico (meios corrosivos, temperatura, carregamento cíclico). Para aplicações críticas, solicite relatórios de teste de material (composição, dureza, dados de tração e impacto) e realize testes de qualificação (testes de solda, testes de tratamento térmico) antes da produção em série.