431 vs 440C – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
AISI/SAE 431 e 440C são dois aços inoxidáveis martensíticos amplamente utilizados que competem comumente por aplicações que exigem um equilíbrio entre resistência, resistência ao desgaste e desempenho à corrosão. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura enfrentam o dilema da seleção de priorizar maior dureza e resistência ao desgaste versus um melhor equilíbrio entre tenacidade e resistência à corrosão a um custo razoável. Os contextos típicos de decisão incluem rolamentos, componentes de válvulas, fixadores, eixos e aplicações de facas ou ferramentas onde o tratamento térmico, o acabamento superficial e o ambiente governam a escolha ideal.
A principal distinção entre essas classes é sua estratégia de liga: uma é formulada para fornecer dureza e resistência ao desgaste muito altas através de carbono e cromo elevados (440C), enquanto a outra sacrifica alguma dureza máxima potencial para alcançar uma tenacidade melhor e resistência à corrosão elevada através de adições de liga adicionais (431). Essa troca fundamenta as diferenças na resposta ao tratamento térmico, usinabilidade, soldabilidade e usos típicos.
1. Normas e Designações
- Normas e designações internacionais comuns:
- AISI/SAE: 431, 440C
- ASTM/ASME: Várias especificações ASTM referenciam essas ligas em produtos de barra, fio ou laminados (consulte normas de produtos ASTM específicas)
- EN: Equivalentes mais próximos às vezes mapeados para categorias de aço inoxidável martensítico EN (verifique as fichas técnicas do fabricante)
-
JIS/GB: Normas japonesas e chinesas têm classes martensíticas inoxidáveis semelhantes; consulte tabelas de conversão quando equivalentes exatos forem necessários.
-
Classificação:
- 431: Aço inoxidável martensítico (liga inoxidável com cromo de médio a alto, com adições de níquel e pequenas quantidades de Mo) — usado onde maior resistência e resistência à corrosão do que aços carbono comuns são necessárias.
- 440C: Aço inoxidável martensítico de alto carbono / aço inoxidável de ferramenta — otimizado para dureza e resistência ao desgaste; considerado um aço de ferramenta inoxidável.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Abaixo está uma tabela de composição concisa mostrando faixas nominais típicas encontradas em dados de fornecedores e especificações comuns. Estas são faixas aproximadas — sempre verifique contra o certificado específico do moinho ou norma referenciada para a forma do produto pretendido.
| Elemento | 431 Típico (aprox. % em peso) | 440C Típico (aprox. % em peso) |
|---|---|---|
| C | 0.15–0.25 (baixo–médio) | 0.95–1.20 (alto) |
| Mn | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.03–0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 15.0–17.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 1.25–2.5 | ≤ 1.0 (geralmente baixo) |
| Mo | 0.2–0.6 | ≤ 0.75 (frequentemente baixo/ausente) |
| V | traço | traço |
| Nb/Ti/B | traço / não significativo | traço / não significativo |
| N | traço | traço |
Como a liga afeta o comportamento: - Carbono: A diferença definidora — alto carbono em 440C produz uma fração de volume maior de martensita com carbonetos, permitindo dureza e resistência ao desgaste muito mais altas após a têmpera/tempera. O carbono mais baixo em 431 modera a dureza máxima para preservar a tenacidade. - Cromo: Ambas as classes são inoxidáveis martensíticos com cromo comparável para passividade; combinado com carbono, o Cr influencia a formação de carbonetos e a endurecibilidade. - Níquel e molibdênio: Presentes em 431 para melhorar a resistência à corrosão e a tenacidade; 440C geralmente omite Ni e Mo significativos para favorecer o Cr formador de carbonetos e o alto carbono para resistência ao desgaste. - Formadores de carbonetos (Cr, V): Promovem carbonetos duros em 440C, melhorando a resistência ao desgaste, mas reduzindo a tenacidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestruturas típicas:
- 431: Matriz martensítica com relativamente menos carbonetos grandes. Quando adequadamente austenitizada, temperada e tratada, 431 oferece martensita temperada com boa tenacidade e uma quantidade moderada de carbonetos finos. Responde bem ao tratamento térmico para alcançar um equilíbrio entre resistência e ductilidade.
-
440C: Matriz martensítica fortemente povoada com carbonetos ricos em cromo (M23C6 e tipos semelhantes) devido ao alto carbono e cromo. Após a têmpera, a microestrutura contém uma fração de volume alta de carbonetos duros embutidos em martensita, produzindo alta dureza e resistência ao desgaste, mas menor tenacidade ao impacto.
-
Sensibilidade ao tratamento térmico:
- A temperatura de austenitização e o controle do tempo afetam a dissolução dos carbonetos. 440C requer controle cuidadoso de austenitização para evitar crescimento excessivo de grãos ou austenita retida. A têmpera subsequente para formar martensita dura seguida de têmpera a temperaturas baixas a médias alcança a dureza alvo; no entanto, a super-temperatura reduz significativamente a dureza.
- 431 tolera uma janela de têmpera mais ampla, permitindo a têmpera a temperaturas mais altas para trocar resistência por tenacidade conforme necessário.
- Processamento termo-mecânico (laminação controlada, resfriamento controlado) pode refinar o tamanho dos grãos de austenita anterior e melhorar a tenacidade para ambas as classes, mas o alto carbono de 440C limita o grau de melhoria da ductilidade alcançável.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades dependem fortemente do tratamento térmico. Comportamento comparativo típico (faixas qualitativas e indicativas):
| Propriedade | 431 (típico após HT) | 440C (típico após HT) |
|---|---|---|
| Resistência à Tração | Alta (moderada–muito alta, depende da têmpera) | Muito alta (superior a 431 em dureza semelhante) |
| Resistência ao Esforço | Moderada a alta | Alta |
| Alongamento / Ductilidade | Maior (melhor alongamento) | Menor (frágil em alta dureza) |
| Tenacidade ao Impacto | Melhor (maior tenacidade) | Menor (tenacidade reduzida em alta dureza) |
| Dureza (HRC) | ~38–52 (dependendo da têmpera) | ~56–64 (dureza máxima alcançável) |
Interpretação: - 440C alcança dureza máxima superior e resistência ao desgaste devido ao seu alto carbono e população de carbonetos. Isso também resulta em maior resistência à tração na condição endurecida, mas à custa de ductilidade e tenacidade ao impacto. - 431 oferece um melhor equilíbrio entre resistência e tenacidade e resistência melhorada a trincas em serviço dinâmico ou carregado por fadiga quando comparado ao 440C totalmente endurecido.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é influenciada pelo equivalente de carbono, endurecibilidade e microalotamento.
Índices úteis: - Equivalente de carbono do Instituto Internacional de Soldagem: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula Pcm popular para risco de soldagem: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - 440C: Alto carbono leva a altos valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ — risco elevado de formação de martensita, trincas e trincas a frio assistidas por hidrogênio na zona afetada pelo calor. Pré-aquecimento, tratamento térmico pós-soldagem e procedimentos de baixo hidrogênio são geralmente necessários; a soldagem é geralmente desencorajada para peças que requerem dureza total, a menos que um tratamento térmico pós-soldagem substancial seja aplicado. - 431: Menor carbono e presença de Ni/Mo moderam a endurecibilidade e reduzem a suscetibilidade a trincas em comparação com 440C. Ainda não é tão soldável quanto aços inoxidáveis austeníticos de baixo carbono; pré-aquecimento e resfriamento controlado são recomendados, e a têmpera pós-soldagem pode ser necessária dependendo da aplicação.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- Comportamento inoxidável:
- Ambas as classes são inoxidáveis martensíticos e podem formar filmes passivos devido ao cromo. No entanto, a resistência à corrosão depende da microestrutura, precipitação de carbonetos e adições de liga.
- O Ni e o Mo modestos de 431 conferem a ele uma resistência à corrosão modestamente melhor em muitos ambientes do que 440C, particularmente quando o cromo de 440C está preso em carbonetos.
- Uso do PREN:
- PREN é comumente usado para classes de aço inoxidável austenítico/ferrítico; é menos significativo para ligas martensíticas de baixo nitrogênio. No entanto, a fórmula é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Para essas classes, o nitrogênio é tipicamente baixo, e o cálculo do PREN não capturará fenômenos específicos de martensita (por exemplo, precipitação de carbonetos).
- Proteção superficial para ambientes não ideais:
- 440C frequentemente requer proteção superficial adicional ou passivação, especialmente se usado em ambientes contendo cloreto ou úmidos; revestimentos, passivação, revestimentos ou margens de corrosão projetadas devem ser considerados.
- Onde maior resistência à corrosão é necessária, considere aços inoxidáveis austeníticos ou famílias duplex em vez de classes martensíticas.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- 440C: Mais difícil de usinar na condição recozida (devido ao alto teor de carbonetos) e se torna mais difícil após a têmpera. O desbaste é comum para acabamento; o desgaste da ferramenta é maior. O uso de ferramentas de carboneto e velocidades de corte apropriadas é padrão.
- 431: Melhor usinabilidade do que 440C, particularmente em condições recozidas ou temperadas mais suaves. A vida útil da ferramenta e os parâmetros de corte são mais tolerantes.
- Formabilidade:
- 440C tem formabilidade a frio limitada; a conformação geralmente é feita na condição recozida ou por usinagem.
- 431 é mais formável na condição recozida; pode ser formado e depois tratado termicamente.
- Acabamento:
- Ambos podem aceitar acabamentos polidos; 440C pode alcançar alto polimento para superfícies de rolamentos/facas devido aos carbonetos duros que ajudam na resistência ao desgaste, mas o polimento é mais demorado.
8. Aplicações Típicas
| 431 — Usos Típicos | 440C — Usos Típicos |
|---|---|
| Eixos, fixadores, hastes de válvula, componentes de bomba onde resistência moderada à corrosão e boa tenacidade são necessárias | Rolamentos, assentos de bola, anéis de desgaste, bordas de corte, facas de alto desgaste, pequenos rolamentos |
| Hardware automotivo e aeroespacial onde resistência e resistência à corrosão são equilibradas | Ferramentas de alto desgaste, lâminas cirúrgicas (quando esterilizáveis e alta dureza é requerida), rolamentos de precisão |
| Componentes marinhos com estratégias de proteção contra corrosão moderadas | Facas, lâminas de barbear, instrumentos cirúrgicos que requerem alta retenção de fio |
Racional de seleção: - Quando carga cíclica, impacto ou exposição corrosiva moderada estão presentes, 431 é frequentemente escolhido por seu equilíbrio de tenacidade e corrosão. - Onde resistência ao desgaste, retenção de fio e alta dureza dominam os requisitos de design, 440C é a escolha preferida, apesar do processamento mais difícil e menor tenacidade.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo:
- 440C tende a ser mais caro em formas acabadas endurecidas/lixadas devido ao maior teor de liga, requisitos mais rigorosos de tratamento térmico e moagem, e aumento do desgaste da ferramenta na usinagem.
- 431 é tipicamente menos custoso de produzir e usinar, especialmente quando as rotas de produção evitam a têmpera total e requerem apenas têmpera moderada.
- Disponibilidade:
- Ambas as classes estão amplamente disponíveis em formas de barra, chapa e fio de fornecedores especializados em aço inoxidável e aço para ferramentas. 440C em blanks de rolamentos e facas de pequeno diâmetro é muito comum; 431 é comum para componentes de barra e forjados.
- Considerações de forma:
- Peças acabadas e endurecidas em 440C podem ser fornecidas lixadas e polidas — essas formas de valor agregado aumentam o custo e o tempo de entrega.
- Grandes forjados ou componentes de paredes grossas em 440C são menos comuns devido aos desafios em alcançar propriedades uniformes; 431 é mais adaptável a seções transversais maiores.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Característica | 431 | 440C |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (moderada) | Pior (alto risco de trincas) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Bom equilíbrio (mais tenaz) | Alta resistência e dureza, mas menor tenacidade |
| Custo | Moderado | Maior (custos de processamento/ferramentas) |
| Resistência à Corrosão | Melhor na classe martensítica | Boa capacidade passiva, mas reduzida por carbonetos |
| Resistência ao Desgaste / Dureza | Moderada | Excelente (dureza máxima) |
Conclusão — escolha com base nas prioridades funcionais: - Escolha 431 se você precisar de uma liga equilibrada que ofereça melhor tenacidade, resistência melhorada à corrosão em muitos ambientes de serviço e fabricação/soldagem mais fáceis — para eixos rotativos, componentes de válvula, fixadores e peças sujeitas a impacto ou fadiga. - Escolha 440C se a máxima dureza, resistência ao desgaste e retenção de fio forem os principais impulsionadores e você puder gerenciar revestimento, acabamento e requisitos mais rigorosos de tratamento térmico e soldagem — para rolamentos, bordas de corte, componentes de desgaste e ferramentas de precisão.
Nota final: Ambas as ligas requerem correspondência cuidadosa de tratamento térmico, pós-processamento e preparação de superfície para alcançar a combinação pretendida de propriedades mecânicas e desempenho à corrosão. Sempre consulte certificados de moinho, fichas técnicas de fornecedores e realize testes específicos de aplicação (fadiga, desgaste, corrosão) antes da seleção final.