60Si2Mn vs 55CrSi – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente escolhem entre aços mola de alto carbono que oferecem alta resistência, resistência à fadiga e resposta previsível ao tratamento térmico. Dois graus comumente comparados nesta classe são 60Si2Mn e 55CrSi. O dilema da seleção geralmente gira em torno de compensações entre a capacidade de endurecimento para seções mais espessas, resistência e vida útil à fadiga alcançáveis, soldabilidade e facilidade de fabricação, e custo do material.
A principal distinção entre esses graus reside na estratégia de liga: um enfatiza a química de silício-manganês para aumentar a resistência e elasticidade em altos níveis de carbono, enquanto o outro incorpora cromo com silício para aumentar a capacidade de endurecimento e resistência ao revenido. Por causa disso, eles são frequentemente comparados para molas, fixadores e componentes de alta tensão onde tanto o desempenho mecânico quanto a fabricabilidade são importantes.
1. Normas e Designações
- Normas e designações comuns encontradas na indústria:
- GB (China): 60Si2Mn, 55CrSi (nomenclatura comumente usada em normas chinesas e na cadeia de suprimentos).
- EN/ISO: Graus de aço EN comparáveis para aços mola incluem equivalentes de 60Si2Mn e análogos SAE/ASTM (por exemplo, SAE 9254/55 para aços mola SiCr), mas referências cruzadas exatas dependem dos detalhes da especificação.
- JIS: Aços mola JIS (por exemplo, famílias SUP9/SUP10) podem ser usados como equivalentes funcionais em algumas aplicações.
- ASTM/ASME: Não há uma única designação universal ASTM para esses aços mola comerciais; o fornecimento é tipicamente regido por normas específicas do cliente ou nacionais.
- Classificação:
- Tanto 60Si2Mn quanto 55CrSi são aços mola de liga de alto carbono (não inoxidáveis). Eles não são aços para ferramentas, aços inoxidáveis ou HSLA no sentido convencional.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Nota: as composições variam conforme a norma e o fornecedor. A tabela abaixo fornece intervalos de composição típicos (aproximados) para ilustrar a estratégia de liga em vez de limites exatos de especificação.
| Elemento (%) | 60Si2Mn (intervalo típico) | 55CrSi (intervalo típico) |
|---|---|---|
| C | 0.56–0.64 | 0.50–0.60 |
| Mn | 0.50–1.00 | 0.30–0.80 |
| Si | 1.60–2.00 | 0.90–1.50 |
| P | ≤ 0.03 (máx) | ≤ 0.03 (máx) |
| S | ≤ 0.03 (máx) | ≤ 0.03 (máx) |
| Cr | ≤ 0.25 (traço) | 0.80–1.30 |
| Ni | ≤ 0.30 (traço) | ≤ 0.30 (traço) |
| Mo | — | ≤ 0.10 (menor) |
| V, Nb, Ti | — (geralmente ausente) | — (geralmente ausente) |
| B, N | — | — |
Efeitos da liga: - O carbono é o principal elemento de endurecimento: um maior C aumenta a dureza e resistência alcançáveis após o resfriamento e revenido, mas reduz a soldabilidade e ductilidade. - O silício aumenta a resistência, elasticidade e desempenho da mola; também estabiliza a ferrita e pode melhorar a tenacidade em alguns revenidos. - O manganês melhora a capacidade de endurecimento e a resistência à tração e atua como desoxidante. - O cromo aumenta a capacidade de endurecimento e resistência ao revenido—importante para seções mais espessas e temperaturas de serviço mais altas. - Elementos traço e controle rigoroso de P/S melhoram a vida útil à fadiga e reduzem inclusões.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas e comportamento de tratamento térmico diferem devido ao equilíbrio da liga: - 60Si2Mn (dominante em Si–Mn): - Em condição normalizada: estrutura predominantemente perlítica/ferrítica para resistência moderada. - Após resfriamento e revenido: matriz martensítica revenida para dureza desejada; os níveis de silício ajudam a manter propriedades elásticas para aplicações de mola. - Sensibilidade à espessura: moderada; o manganês fornece alguma capacidade de endurecimento, mas é menos eficaz que o cromo, então componentes mais espessos podem mostrar endurecimento incompleto, a menos que ajustados. - 55CrSi (dominante em Cr–Si): - Em condição normalizada: perlita + ferrita dependendo do resfriamento. - Após resfriamento e revenido: martensita revenida; o cromo aumenta a capacidade de endurecimento e promove uma transformação martensítica mais uniforme em seções mais espessas. - Resistência ao revenido: melhorada devido ao Cr; permite melhor retenção de resistência em temperaturas de revenido elevadas e melhor resistência ao amolecimento ao longo do tempo.
Rotas de processamento: - Normalização/refinamento do tamanho do grão: ambos respondem bem, mas a escolha da temperatura de normalização depende do teor de carbono e do tamanho da seção. - Resfriamento e revenido: comum para aços mola. O meio de resfriamento, a temperatura de austenitização e o perfil de revenido controlam a dureza final e tenacidade. - Processamento termo-mecânico (para fio ou enrolamento de mola): resfriamento controlado e trabalho a frio, além de revenido de alívio de tensão, são padrão.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas variam amplamente com o tratamento térmico e o tamanho da seção. A tabela abaixo mostra intervalos típicos alcançáveis após ciclos de resfriamento e revenido típicos da indústria para aplicações de mola e alta resistência.
| Propriedade | 60Si2Mn (típico) | 55CrSi (típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 900–1600 (dependente do revenido) | 900–1700 (melhor em seções mais espessas) |
| Resistência ao escoamento (MPa) | 700–1400 | 700–1450 |
| Alongamento (%) | 6–18 (menor em maior resistência) | 6–18 (intervalo semelhante) |
| Tenacidade ao impacto (J, Charpy) | Baixa a moderada quando em condição de alta dureza; melhora com o revenido | Tendência semelhante; o Cr pode melhorar a tenacidade retida em dureza igual |
| Dureza (HRC) | ~30–65 (dependendo do revenido) | ~30–65 (pode ser mantida em partes mais espessas devido ao Cr) |
Interpretação: - Ambos os graus podem alcançar resistências à tração muito altas quando endurecidos e revenidos; as diferenças geralmente dependem da aplicação e geometria. - O 55CrSi geralmente oferece maior capacidade de endurecimento e propriedades mais consistentes em seções mais espessas, tornando-o preferível quando o endurecimento total de componentes maiores é necessário. - O 60Si2Mn é eficaz para fio, molas de pequeno diâmetro e componentes onde uma elasticidade muito alta e desempenho à fadiga em seções pequenas são exigidos.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é impulsionada principalmente pelo equivalente de carbono e capacidade de endurecimento. Dois índices comumente usados são o equivalente de carbono IIW e o Pcm (índice aeronáutico/fabricação):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Valores mais altos de C e CE/Pcm implicam maior suscetibilidade a trincas a frio e necessidade de pré-aquecimento/tratamento térmico pós-solda. - O 60Si2Mn geralmente tem um pouco mais de silício e carbono comparável ou maior, mas menos cromo; a capacidade de endurecimento é moderada. Para peças pequenas, a soldagem é viável com controles rigorosos (pré-aquecimento, eletrodos de baixo hidrogênio). Para aços mola de alta dureza, a soldagem é geralmente evitada, a menos que alívio localizado e revenido sejam aplicados. - O 55CrSi, devido ao cromo, geralmente tem um CE mais alto para um determinado teor de carbono e apresenta maior capacidade de endurecimento. Isso torna a soldabilidade mais desafiadora em seções mais espessas, pois uma HAZ martensítica dura pode se formar. Pré-aquecimento e PWHT são comumente exigidos; muitas aplicações favorecem a união mecânica ou conformação a frio em vez da soldagem.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, 60Si2Mn ou 55CrSi, é inoxidável. A resistência à corrosão é limitada e depende da proteção da superfície:
- As proteções comuns incluem galvanização, eletrogalvanização, revestimentos de fosfato, pintura ou revestimentos poliméricos.
- Para aplicações de mola onde os revestimentos podem afetar o desempenho, alternativas inoxidáveis ou características de design protetoras devem ser consideradas.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) se aplica a ligas inoxidáveis:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN não é aplicável a esses aços mola não inoxidáveis porque seus níveis de Cr e design de liga são insuficientes para produzir proteção contra corrosão passiva.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- O alto carbono e a alta dureza de ambos os graus em condição endurecida reduzem a maquinabilidade. O torneamento pré-endurecido é limitado; o uso de ferramentas e velocidades apropriadas e o revenido para reduzir a dureza antes da usinagem pesada são padrão.
- O 60Si2Mn pode ser ligeiramente mais usinável no estado recozido ou normalizado devido ao menor teor de Cr.
- Formabilidade:
- Conformação a frio e enrolamento: ambos são projetados para conformação de molas; o 60Si2Mn é amplamente utilizado para molas de pequeno diâmetro devido à alta elasticidade.
- Dobramento e cabeçote a frio: realizados em condição recozida; evite a conformação quando em alta dureza.
- Acabamento de superfície:
- Desbaste e jateamento são comuns para peças de fadiga; ambos os aços respondem bem ao jateamento para melhorar a vida útil à fadiga.
8. Aplicações Típicas
| 60Si2Mn (usos comuns) | 55CrSi (usos comuns) |
|---|---|
| Molas de espiral de alta elasticidade (pequeno diâmetro), molas de suspensão para pequenos componentes, fio de mola, molas de torção de leve carga | Molas de espiral de alta resistência, molas de lâmina, molas de amortecedor, molas de suspensão e vibração de maior diâmetro |
| Molas de precisão e pequenos componentes mecânicos que requerem alta resiliência | Componentes mais pesados e espessos onde o endurecimento total e a resistência ao revenido são necessários |
| Fio de alto carbono e pequenos fixadores em ambientes de alta fadiga | Componentes que requerem superior capacidade de endurecimento, desempenho mais resistente da HAZ e melhor resistência ao revenido |
Racional de seleção: - Escolha com base na magnitude da carga, geometria do componente (espessura da seção), vida útil à fadiga necessária e se o endurecimento total é essencial. O 60Si2Mn é eficiente em termos de custo para pequenas peças de alta elasticidade; o 55CrSi é preferido para componentes maiores e de alta tensão onde o endurecimento uniforme e a resistência ao revenido são importantes.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo:
- O 60Si2Mn geralmente custa menos por quilograma porque não contém adições significativas de cromo e é amplamente produzido como aço mola.
- O 55CrSi é modestamente mais caro devido ao teor de cromo e ao controle potencialmente mais rigoroso exigido para aplicações de mola.
- Disponibilidade:
- Ambos os graus estão comumente disponíveis em formas de barra, fio e barra através de fornecedores de aço mola; a disponibilidade local depende da produção regional e do uso padrão (por exemplo, o 55CrSi pode ser mais comum em cadeias de suprimento automotivas onde peças mais espessas são necessárias).
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | 60Si2Mn | 55CrSi |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor para pequenas peças (com controles) | Mais desafiadora devido à maior capacidade de endurecimento |
| Resistência–Tenacidade | Alta resistência para seções pequenas; excelente elasticidade | Resistência comparável ou maior em partes mais espessas; resistência ao revenido melhorada |
| Custo | Menor | Maior |
Recomendações finais: - Escolha 60Si2Mn se: - Você precisa de alto limite elástico e desempenho à fadiga em molas ou fios de seção pequena. - A sensibilidade ao custo e altos volumes de produção para pequenos componentes são fundamentais. - O endurecimento total de seções espessas não é necessário e a soldagem é mínima ou controlada. - Escolha 55CrSi se: - O componente tem seções transversais maiores ou requer endurecimento uniforme ao longo da seção. - Resistência ao revenido melhorada e melhores propriedades retidas após o revenido ou exposição a temperaturas elevadas são necessárias. - A aplicação tolera um custo de material ligeiramente mais alto e você pode controlar os procedimentos de soldagem/tratamento térmico para segurança.
Ambos os materiais são comprovados como robustos no design de molas e componentes de alta resistência. A escolha final deve ser guiada pela espessura da seção, perfil de revenido necessário, requisitos de fadiga e iniciação de trincas de fadiga, e restrições de fabricação a montante, como soldagem e acabamento de superfície.