50CrV4 vs 51CrV4 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

50CrV4 e 51CrV4 são aços de mola de liga com designação europeia intimamente relacionados, comumente especificados para componentes de mola e engenharia de resistência média a alta. Gerentes de compras, engenheiros de design e planejadores de produção frequentemente enfrentam a escolha entre eles ao equilibrar a resistência, tenacidade, conformabilidade e processos subsequentes, como soldagem, tratamento térmico e acabamento de superfície exigidos.

A principal distinção entre essas duas classes é pequena, mas consequente: 51CrV4 é especificado com um alvo de carbono/hardenabilidade efetivo ligeiramente mais alto do que 50CrV4, produzindo dureza e resistência marginalmente mais altas após têmpera e revenimento em tratamentos comparáveis. Como ambos pertencem à mesma família de aços de mola de cromo-vanádio, eles são frequentemente comparados onde pequenas variações nas propriedades mecânicas, hardenabilidade ou custo influenciam a decisão final de design.

1. Normas e Designações

• Normas típicas que referenciam esses aços incluem designações da família europeia/EN e normas nacionais derivadas das especificações de aços de mola EN. Referências nacionais ou regionais equivalentes (por exemplo, alguns códigos JIS, GB ou DIN legados) podem existir na documentação do fornecedor.
• Classificação por tipo:
• Tanto 50CrV4 quanto 51CrV4 são aços de mola de carbono de liga usados para componentes de suporte de carga e elásticos (não aços inoxidáveis, não HSLA no sentido moderno).
• Eles são comumente usados em aplicações de mola e eixo de engenharia e, portanto, se enquadram em "aço de mola de liga" nos catálogos de seleção de materiais.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: visão geral da composição qualitativa (para engenheiros/compras compararem os papéis dos elementos). Os limites exatos variam por norma e fornecedor; consulte os certificados da usina para compras de suprimentos.

Como a liga afeta as propriedades - Carbono: determinante primário da resistência e hardenabilidade; pequenos aumentos elevam a dureza máxima, mas reduzem a soldabilidade e ductilidade. - Cromo e vanádio: melhoram a hardenabilidade, resistência ao revenimento e resistência ao desgaste; o vanádio refina o tamanho do grão, melhorando a tenacidade. - Manganês e silício: auxiliam na desoxidação e fortalecimento, e influenciam o endurecimento após o tratamento térmico. - Elementos de microligação em traços (V, Nb, Ti) ajudam a controlar o crescimento do grão durante o processamento em alta temperatura e podem melhorar a tenacidade após o revenimento.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas - Na condição normalizada ou recozida: ferrita mais perlita com pequenos carbonetos e carbonetos ou carbonitretos de vanádio finamente dispersos (se presentes). - Após têmpera e revenimento: martensita temperada com carbonetos retidos e possivelmente carbonetos de liga finos (Cr, V) que fornecem endurecimento secundário e resistência ao revenimento. - 51CrV4, com carbon/hardenabilidade ligeiramente mais alta, produzirá uma fração maior de martensita sob a mesma severidade de têmpera em comparação com 50CrV4 para a mesma seção transversal.

Caminhos de tratamento térmico e resposta relativa - Normalização: refina o tamanho do grão e produz uma microestrutura homogênea de ferrita-perlita; ambas as classes respondem de maneira semelhante, embora 51CrV4 possa exigir um resfriamento ligeiramente diferente para evitar dureza excessiva em seções maiores. - Têmpera e revenimento (mais comum para molas): - A temperatura de endurecimento (austenitização) e o tempo de imersão são escolhidos para dissolver carbonetos e homogeneizar a composição. - A severidade da têmpera (óleo, têmpera em polímero ou ar rápido, dependendo do tamanho da seção) determina a fração final de martensita. 51CrV4 geralmente requer uma têmpera ligeiramente menos severa para alcançar uma dureza dada devido à maior hardenabilidade. - O revenimento equilibra entre resistência e tenacidade; ambas as classes respondem de maneira previsível, mas 51CrV4 atinge um platô de dureza mais alto em condições de revenimento comparáveis. - O processamento termo-mecânico (laminação controlada/resfriamento acelerado) é menos comum para esses aços de mola, mas pode ser usado para refinar a microestrutura e melhorar a vida útil à fadiga.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: comparação qualitativa (valores exatos dependem do tratamento térmico e da forma do produto; consulte os relatórios de teste da usina).

Por que essas diferenças ocorrem - Pequenos aumentos em carbono e hardenabilidade efetiva permitem uma fração martensítica maior após a têmpera e aumentam a resistência e dureza. No entanto, o maior carbono aumenta a sensibilidade a trincas durante a soldagem e pode reduzir ligeiramente a tenacidade e ductilidade, a menos que seja temperado adequadamente.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende em grande parte do equivalente de carbono e adições de liga que aumentam a hardenabilidade.

Fórmulas representativas de equivalente de carbono que os engenheiros usam: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ - Fórmula internacional BSI/Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa - Ambas as classes têm carbono e liga moderados; seus valores de CE/Pcm estarão em uma faixa que requer pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas para soldagem, a fim de evitar trincas a frio na ZAT (zona afetada pelo calor). - 51CrV4, com a hardenabilidade/carbono ligeiramente mais alta, mostrará um CE/Pcm mais alto e, portanto, soldabilidade menos favorável: riscos aumentados de pré-aquecimento e revenimento pós-soldagem, e procedimentos de soldagem mais rigorosos. - Mitigações: minimizar restrições, usar consumíveis de baixo hidrogênio, pré-aquecer com base na espessura da seção e CE, e considerar tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) ou evitar soldas em seções de mola altamente estressadas.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, 50CrV4 ou 51CrV4, é aço inoxidável; a resistência à corrosão é semelhante à dos aços de carbono-liga e geralmente modesta.
• Métodos típicos de proteção:
• Mecânica: pintura, revestimento em pó.
• Revestimentos metálicos: galvanização a quente, eletrodeposição de zinco ou revestimentos de conversão, dependendo da aplicação e sensibilidade à fadiga.
• A passivação não é aplicável como para aços inoxidáveis.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) é específico para ligas inoxidáveis e não é aplicável a esses aços de mola não inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Nota: a galvanização ou revestimentos podem alterar o desempenho à fadiga; considere os efeitos da espessura do revestimento e da fragilização por hidrogênio para superfícies de alta resistência temperadas e revenidas.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Usinabilidade: Na condição recozida, ambas as classes são usinadas de maneira semelhante; o maior carbono (51CrV4) pode tornar a usinagem ligeiramente mais abrasiva nas ferramentas em condições mais duras. A usinabilidade melhora em estados recozidos/normais e deteriora à medida que a dureza aumenta após a têmpera.
• Conformabilidade e dobra a frio: Melhor na condição recozida/normale. 50CrV4 oferece conformabilidade marginalmente melhor devido à resistência/hardenabilidade ligeiramente mais baixa; 51CrV4 requer controle de deformação mais cuidadoso ou recozimentos intermediários.
• Acabamento de superfície: Ambas aceitam acabamentos típicos (desbaste, jateamento para melhoria da fadiga). O 51CrV4 mais duro após o tratamento térmico pode exigir desbaste mais agressivo e considerações de desgaste da ferramenta.

8. Aplicações Típicas

Tabela: Usos típicos (duas colunas).

Racional de seleção - Escolha 50CrV4 quando tenacidade, soldabilidade e conformação mais fácil forem prioridades e quando uma resistência ligeiramente menor for aceitável. - Escolha 51CrV4 quando o design exigir dureza temperada ligeiramente mais alta ou resistência à tração para a mesma geometria e quando a produção puder controlar o tratamento térmico e os procedimentos de soldagem.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: Como as composições são próximas e ambos são graus comuns de aço de mola europeu, as diferenças de custo de material de base são tipicamente pequenas. 51CrV4 pode ter um leve prêmio devido ao controle mais rigoroso ou demanda em mercados específicos.
• Disponibilidade: Ambas as classes estão comumente disponíveis como barras, fios, forjados e tiras nos catálogos de fornecedores em toda a Europa e em comerciantes de aço globais. A disponibilidade por forma de produto pode variar por usina; peças tratadas termicamente sob encomenda ou de longo prazo devem ser especificadas cedo na compra.
• Nota de compras: Especifique a norma exata, o estado de tratamento térmico requerido, dureza e certificado de teste da usina para evitar discrepâncias.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: comparação concisa

Recomendação - Escolha 50CrV4 se: - Você precisa de um aço de mola bem equilibrado com melhor soldabilidade e ligeiramente melhor ductilidade/tenacidade para aplicações onde a vida útil à fadiga e a reparabilidade são importantes. - Conformabilidade e menor risco durante a soldagem/montagem são prioridades. - Escolha 51CrV4 se: - Você requer resistência ou dureza temperada ligeiramente mais alta em uma seção transversal dada e pode controlar os processos de têmpera, revenimento e soldagem. - A aplicação exige seções menores ou maior capacidade de estresse e o ambiente de produção suporta procedimentos de tratamento térmico e soldagem mais rigorosos.

Nota final para engenheiros e compras - A diferença prática entre essas classes é intencionalmente pequena. A escolha correta depende do contexto completo de fabricação e serviço: geometria da peça e tamanho da seção (que afetam a hardenabilidade e a escolha da têmpera), vida útil à fadiga requerida, capacidade do procedimento de soldagem e se o tratamento térmico pós-soldagem é viável. Sempre especifique as propriedades mecânicas requeridas, o estado de tratamento térmico e os testes de aceitação nos pedidos de compra, e solicite certificados da usina para verificar a conformidade química e mecânica.