52100 vs 51100 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
52100 e 51100 são dois aços para rolamentos de alto carbono comumente considerados quando designers e equipes de compras devem equilibrar resistência ao desgaste, tenacidade, capacidade de fabricação e custo. Engenheiros frequentemente enfrentam as compensações entre maior endurecibilidade e vida útil contra química mais simples, usinagem mais fácil e menor custo de material. Os contextos típicos de decisão incluem a escolha de um material para rolamentos de elementos rolantes, componentes de desgaste, eixos ou pinos endurecidos onde a dureza total, resistência à fadiga superficial e tenacidade são críticas.
A principal estratégia de distinção entre os dois graus é o uso de ligações para aumentar a endurecibilidade e resistência ao desgaste: um grau contém adições deliberadas de cromo para melhorar a endurecibilidade e resistência à fadiga por contato rolante, enquanto o outro é essencialmente um aço de alto carbono e baixa liga que depende do carbono e do tratamento convencional de têmpera para produzir a dureza necessária. Como ambos são usados para aplicações de rolamentos e desgaste, eles são frequentemente comparados em relação à vida útil do rolamento, resposta ao tratamento térmico e implicações de fabricação subsequente.
1. Normas e Designações
- Normas comuns que referenciam esses graus:
- ASTM/ASME/SAE: SAE/AISI 52100; SAE/AISI 51100.
- EN: 52100 frequentemente referenciado como 1.3505 (ou 100Cr6 na designação europeia); 51100 não tem um equivalente EN direto, mas se mapeia para aços de alto carbono usados para rolamentos em normas nacionais específicas.
- JIS/GB: 52100 corresponde a JIS SUJ2 e GB 52100 (a nomenclatura varia por país); equivalentes de 51100 aparecem em normas nacionais como aços de rolamento de alto carbono não cromados ou aços de alto carbono simples.
- Classificação:
- 52100: aço para rolamentos de alto carbono e cromo (aço de liga / aço para rolamentos).
- 51100: aço para rolamentos/engenharia de alto carbono não cromado (aço de carbono ou baixa liga, frequentemente tratado como aço para rolamentos na indústria de rolamentos).
Nota: o mapeamento exato das designações varia entre os comitês de normas; sempre confirme o número da norma específica e o texto da especificação para compras.
2. Composição Química e Estratégia de Ligações
Tabela — Composição química típica (wt%) para especificações comerciais comuns. Os valores mostrados são intervalos típicos; consulte a especificação de compra aplicável para aceitação do contrato.
| Elemento | 52100 (wt% típico) | 51100 (wt% típico) |
|---|---|---|
| C | 0.98 – 1.10 | 0.90 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.20 – 0.50 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.10 – 0.35 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.040 |
| Cr | 1.30 – 1.65 | ≤ 0.30 (traço) |
| Ni | traço – 0.25 | traço |
| Mo | traço | traço |
| V | traço | traço |
| Nb, Ti, B, N | traço se presente | traço se presente |
Como as ligações afetam as propriedades: - O carbono controla principalmente a dureza e resistência alcançáveis após têmpera e revenimento; ambos os graus são de alto carbono para permitir a têmpera martensítica. - O cromo em 52100 proporciona maior endurecibilidade, melhor desempenho ao desgaste, estabilidade de carbonetos e resistência à fadiga por contato rolante em comparação com aços de baixo cromo. O cromo também refina a resposta ao revenimento e contribui para a dureza dos carbonetos retidos. - 51100 depende do carbono e de traços de ligações convencionais; seu menor teor de cromo reduz a endurecibilidade e resistência ao desgaste sob tratamento térmico idêntico, mas simplifica a composição para certos tratamentos térmicos e de superfície.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Na condição recozida, ambos os graus apresentam cementita perlítica ou esferoidizada em uma matriz ferrítica, dependendo dos ciclos de normalização e esferoidização. Para serviço de rolamento, ambos são tipicamente endurecidos a martensita com carbonetos dispersos. - 52100, após endurecimento e revenimento adequados, forma martensita com carbonetos de cromo finos; os carbonetos são geralmente mais finos e mais dispersos do que em aços de baixo cromo, melhorando a resistência ao desgaste abrasivo e a vida útil da fadiga subsuperficial. - 51100 forma martensita mais carbonetos de cementita; com menor teor de liga, a distribuição de carbonetos pode ser mais grossa se a esferoidização/recozimento não for cuidadosamente controlada.
Resposta ao tratamento térmico: - A normalização melhora o refino de grão para ambos, mas 52100 se beneficia mais do endurecimento a temperaturas de austenitização mais altas porque o Cr aumenta a endurecibilidade—permitindo uma maior dureza total em seções maiores. - Têmpera & revenimento: - 52100 alcança maior endurecibilidade e pode atingir dureza uniforme através de espessuras de seção substanciais; o revenimento é usado para ajustar a tenacidade em relação à dureza para fadiga por contato rolante. - 51100 endurece efetivamente em seções menores; em seções maiores, pode apresentar um núcleo mais macio e ser mais suscetível a variações de espessura total. - O processamento termo-mecânico (laminação controlada e resfriamento acelerado) pode produzir tamanho de grão superior e propriedades mecânicas em ambos, mas a liga em 52100 torna-o mais tolerante ao endurecimento total.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela — Propriedades mecânicas típicas (o intervalo depende fortemente do tratamento térmico; os valores mostram intervalos de serviço comuns).
| Propriedade | 52100 (endurecido & revenido / especificação de rolamento) | 51100 (endurecido & revenido) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~900 – 2000 (dependendo do revenimento/HRC) | ~800 – 1600 |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset) (MPa) | ~700 – 1800 (dependente do processo) | ~600 – 1400 |
| Alongamento (%) | 2 – 15 (diminui à medida que a dureza aumenta) | 3 – 18 |
| Tenacidade ao impacto (J à temperatura ambiente) | Moderada; otimizada via revenimento | Comparável ou ligeiramente superior à mesma dureza para seções pequenas |
| Dureza (HRC) | Tipicamente 58 – 66 HRC para pistas/balas de rolamento | Tipicamente 55 – 63 HRC alcançável em seções menores |
Qual é mais forte, mais resistente ou mais dúctil e por quê: - Resistência e dureza: 52100 geralmente atinge maior resistência efetiva e endurecimento total em tamanhos de seção iguais devido ao seu teor de cromo e resultante endurecibilidade. - Tenacidade: A tenacidade é uma função do tratamento térmico e microestrutura. Com dureza superficial equivalente, 51100 pode às vezes apresentar tenacidade aparente semelhante ou ligeiramente superior em seções pequenas devido a distribuições de carbonetos mais simples; no entanto, 52100 frequentemente proporciona melhor vida útil de fadiga por contato rolante e resistência a trincas subsuperficiais devido a carbonetos de cromo finos e melhor endurecibilidade. - Ductilidade: Ambos os graus sacrificam ductilidade em alta dureza; 51100 pode apresentar ligeiramente maior alongamento em dureza comparável em seções pequenas, mas isso é altamente dependente do processo.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é governada principalmente pelo equivalente de carbono e endurecibilidade; maior teor de carbono e liga aumenta o risco de trincas a frio e requer pré-aquecimento e/ou tratamento térmico pós-solda.
Índices úteis: - O equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - O Pcm alemão: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - 52100 geralmente terá um CE/Pcm calculado mais alto do que 51100 devido ao seu teor intencional de cromo; isso aumenta a suscetibilidade a trincas a frio induzidas por hidrogênio e formação de martensita na zona afetada pelo calor. - 51100, por não ter Cr significativo, geralmente tem um equivalente de carbono ligeiramente mais baixo e é um pouco mais fácil de soldar, mas seu alto carbono ainda torna a soldagem desafiadora sem controles rigorosos. - Orientação prática: Para ambos os graus, a soldagem deve ser evitada em superfícies primárias de rolamento. Se a soldagem for necessária, use pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas, eletrodos/preenchimentos de baixo hidrogênio e PWHT apropriado para revenar a martensita e reduzir tensões residuais. Sempre que possível, produza a geometria final antes da têmpera ou use métodos de união mecânica.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, 52100 ou 51100, é inoxidável; ambos são suscetíveis à corrosão. O cromo em 52100 não está em níveis suficientes para fornecer desempenho inoxidável.
- Medidas de proteção comuns:
- Pintura, fosfatização, lubrificação e galvanização (por exemplo, zinco) para proteção geral contra corrosão.
- Carburização/chromização localizada ou endurecimento de superfície para resistência ao desgaste, além de revestimentos sacrificial para proteção contra corrosão.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável porque esses graus não são ligas inoxidáveis. Para referência, PREN é definido como: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ mas se aplica a aços inoxidáveis com Cr, Mo e N significativos—não a 52100/51100.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- Na condição recozida, ambos podem ser usinados com ferramentas de aço rápido ou carbeto padrão. 51100 (menor teor de liga) geralmente oferece usinabilidade ligeiramente melhor do que 52100 porque o cromo aumenta o desgaste da ferramenta e a tendência de endurecimento por trabalho.
- Na condição endurecida, ambos são difíceis de usinar; moagem e ferramentas superabrasivas são comuns para acabamento de superfícies de rolamento.
- Formabilidade:
- A conformação a frio é limitada pelo alto teor de carbono; o recozimento/esferoidização é geralmente realizado antes das operações de conformação para melhorar a ductilidade.
- Dobra e estampagem são viáveis na condição recozida; na condição endurecida, a conformação não é prática.
- Acabamento de superfície:
- Polimento e moagem de precisão são rotineiros para componentes de rolamento 52100 para alcançar a rugosidade de superfície e tolerâncias geométricas exigidas.
- Tratamentos de superfície (endurecimento por indução, nitretação) podem ser aplicados dependendo do projeto; o desempenho da nitretação pode diferir porque o Cr afeta a formação de nitretos.
8. Aplicações Típicas
Tabela — Usos típicos
| 52100 | 51100 |
|---|---|
| Rolamentos de elementos rolantes (esferas, rolos, anéis) onde alta vida útil de fadiga por contato rolante é requerida | Componentes de rolamento em seções pequenas, pinos endurecidos simples e peças de desgaste onde o Cr não é especificado |
| Pistas de rolamento de precisão em automotivo, aeroespacial, máquinas industriais | Ferramentas de alto carbono, pinos e eixos onde soluções sensíveis ao custo são aceitáveis |
| Componentes de alto desgaste com tratamento térmico controlado: engrenagens, cames (em alguns projetos) | Componentes que requerem química mais simples e usinabilidade mais fácil (na condição recozida) |
| Aplicações que requerem melhor endurecimento total em seções moderadas a grandes | Peças de baixo volume e projetos legados onde 51100 é especificado |
Racional de seleção: - Escolha 52100 quando a vida útil de fadiga por contato rolante estendida, endurecimento total mais profundo e melhor resistência ao desgaste forem requisitos primários e quando o custo e a soldabilidade ligeiramente reduzida forem aceitáveis. - Escolha 51100 quando uma solução de alto carbono for suficiente, custo e usinabilidade na condição recozida forem prioridades, ou quando os tamanhos das seções forem pequenos o suficiente para que a endurecibilidade não seja limitante.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo:
- 52100 geralmente tem um prêmio modesto sobre 51100 devido ao teor de cromo e sua demanda nos mercados de rolamentos.
- Os preços de mercado flutuam com os custos dos elementos de liga (notavelmente Cr) e a demanda global por formas de aço para rolamentos.
- Disponibilidade por forma de produto:
- 52100 está amplamente disponível em barras de grau para rolamentos, anéis, esferas e estoques de precisão; cadeias de suprimento estabelecidas existem para fabricantes de rolamentos.
- 51100 está disponível em barras, hastes e algumas formas de estoque de rolamento, mas pode ser menos comum para pistas de rolamento de precisão em algumas regiões.
- Dica de compra: especifique o número exato da norma e o estado de tratamento térmico requerido. Os prazos de entrega para componentes de precisão moídos e endurecidos podem ser significativamente mais longos.
10. Resumo e Recomendação
Tabela — Comparação rápida
| Atributo | 52100 | 51100 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Menor (maior CE; pré-aquecimento/PWHT frequentemente requerido) | Moderada (ainda desafiadora devido ao alto C) |
| Resistência–Tenacidade (endurecido) | Alta resistência, excelente resistência à fadiga por rolamento | Boa resistência; pode ser limitada pela endurecibilidade em seções maiores |
| Custo | Moderado-alto (teor de cromo e demanda de mercado) | Tipicamente mais baixo (química mais simples) |
Recomendação: - Escolha 52100 se: - Você precisa de alta vida útil de fadiga por contato rolante, resistência ao desgaste superior e endurecimento total confiável em seções moderadas a grandes (por exemplo, rolamentos de precisão, rolos fortemente carregados). - A aplicação tolera um custo de material ligeiramente mais alto e requer desempenho consistente de rolamento ao longo de uma longa vida. - Escolha 51100 se: - Seu projeto estiver restrito a seções pequenas ou você precisar de química mais simples para vantagens de custo ou usinagem. - Você puder aceitar menor endurecibilidade ou aplicar processos de endurecimento de superfície e não exigir vida útil de fadiga aprimorada por cromo.
Nota final: Ambos os graus são aços de alto carbono e requerem especificação cuidadosa do tratamento térmico, limpeza (controle de inclusões) e acabamento para atender às metas de desempenho. Sempre faça referência à norma exata e aos requisitos de tratamento térmico nos documentos de compra e valide o desempenho com testes específicos de aplicação (fadiga por contato rolante, testes de desgaste e avaliações de tensões residuais) antes da produção em larga escala.