60Si2MnA vs 60Si2CrA – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

60Si2MnA e 60Si2CrA são aços de liga de carbono médio comumente usados para componentes de mola e estruturais de alta resistência, onde um equilíbrio entre resistência, tenacidade e resistência à fadiga é necessário. Engenheiros e gerentes de compras frequentemente escolhem entre eles ao especificar peças que devem suportar cargas repetidas, desgaste ou altas tensões de contato. Os contextos típicos de decisão incluem equilibrar custo e disponibilidade em relação à vida útil de fadiga requerida, selecionar graus para peças que serão tratadas termicamente para alta dureza e considerar operações posteriores, como soldagem ou acabamento de superfície.

A principal distinção metalúrgica é a substituição (ou substituição parcial) de manganês por cromo na mistura de liga. Essa substituição altera a endurecibilidade, resistência ao revenido, comportamento de carbonetos e, consequentemente, o desempenho de fadiga e as janelas de processamento. Esses dois graus são, portanto, frequentemente comparados para aplicações de mola, eixo e fixadores fortemente carregados.

1. Normas e Designações

• Normas comumente referenciadas:
• GB/T (China): esses graus são estilos de designação chinesa e são tipicamente especificados sob normas nacionais GB/T ou normas de empresas para aços de mola/ligas.
• JIS/ISO/EN: existem graus funcionalmente semelhantes nos sistemas JIS e EN (aços de mola e aços de liga de alta resistência), mas equivalentes diretos um a um devem ser confirmados para aplicações críticas.
• ASTM/ASME: a ASTM possui famílias de aços de mola e aços de liga, mas, novamente, não há equivalente universal exato da ASTM—compare os requisitos químicos e mecânicos caso a caso.
• Classificação:
• 60Si2MnA: aço de liga de carbono médio, frequentemente usado como aço de mola ou grau estrutural temperado e revenido.
• 60Si2CrA: aço de liga de carbono médio com adição de cromo; também usado para molas e componentes temperados e revenidos com maior endurecibilidade e resistência ao revenido aprimorada.
• Estes não são aços inoxidáveis; são aços de carbono ligados destinados ao tratamento térmico.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo mostra intervalos de composição típicos (wt%) frequentemente citados em fichas técnicas para esses tipos de aços de mola/ligas da série 60. As tolerâncias de composição reais dependem do fornecedor e da norma de controle; sempre verifique os certificados de fábrica para aquisição.

Notas: - O silício em ambos os graus é deliberadamente elevado para ajudar na endurecibilidade e resistência e para melhorar a elasticidade para aplicações de mola. - No 60Si2CrA, o cromo é adicionado para aumentar a endurecibilidade e a resistência ao revenido; o teor de manganês é tipicamente menor do que no grau rico em Mn. - Elementos de microaliagem em traços (V, Ti, Nb) podem estar presentes dependendo da prática da fábrica; estes afetam o tamanho do grão e o comportamento do revenido.

Como a liga afeta as propriedades: - O carbono fornece resistência básica e endurecibilidade, mas reduz a soldabilidade quando alto. - O silício fortalece a ferrita e ajuda no limite elástico (útil para molas) e contribui para o comportamento do revenido. - O manganês aumenta a endurecibilidade e a resistência à tração e promove a desoxidação; Mn excessivo pode reduzir a tenacidade se não for equilibrado. - O cromo aumenta a endurecibilidade, refina os carbonetos, melhora a resistência ao revenido e à abrasão, e pode melhorar a vida útil à fadiga promovendo uma química e distribuição de carbonetos favoráveis.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

As microestruturas para ambos os graus são determinadas principalmente pelo caminho de tratamento térmico (normalização, têmpera, revenido) e pelo tamanho da seção.

• Condição como laminado/normalizado:
• Ferrita + perlita com carbonetos de liga dispersos. A normalização refina o tamanho do grão e homogeneiza a microestrutura.
• Após a têmpera (resfriamento rápido para formar martensita):
• Predominantemente martensita com austenita retida dependendo da taxa de resfriamento e do teor de liga.
• O 60Si2CrA geralmente alcança uma camada endurecida mais profunda (maior endurecibilidade) para uma determinada severidade de têmpera do que o 60Si2MnA devido ao Cr.
• Após o revenido:
• Martensita revenida com carbonetos de transição dispersos; o cromo promove a formação de carbonetos de liga finos (carbonetos ricos em Cr), que resistem ao crescimento durante o revenido e podem melhorar o desempenho à fadiga em ciclos altos.
• O manganês tende a permanecer em solução e influencia as temperaturas de transformação bainítica/perlítica; aços ricos em Mn respondem bem a ciclos padrão de têmpera e revenido, mas podem mostrar cinéticas de revenido ligeiramente diferentes em comparação com aços ricos em Cr.

Notas de processamento típicas (dependentes do tamanho da seção): - As temperaturas de austenitização para aços de mola de carbono médio estão comumente na faixa de 800 °C; temperaturas exatas são selecionadas para dissolver carbonetos e controlar o tamanho do grão. - O meio de têmpera (óleo, polímero ou sal) é escolhido de acordo com a espessura da seção e a dureza desejada. - O revenido é usado para alcançar a tenacidade e resistência à fadiga desejadas; o grau contendo Cr geralmente tolera temperaturas de revenido mais altas para uma determinada resistência retida, proporcionando maior latitude de processamento.

4. Propriedades Mecânicas

Como o tratamento térmico e o tamanho da seção afetam fortemente as propriedades mecânicas, a tabela abaixo apresenta intervalos típicos qualitativos em vez de valores garantidos únicos. Os valores devem ser verificados a partir das curvas de tratamento térmico do fornecedor e dos certificados da fábrica.

Interpretação: - O 60Si2CrA geralmente fornece maior endurecibilidade prática e resistência ao revenido aprimorada em comparação com o 60Si2MnA, permitindo que o grau ligado ao Cr mantenha maior resistência e resistência à fadiga em seções transversais maiores ou com condições de têmpera mais modestas. - A tenacidade é uma função do revenido, limpeza e morfologia de carbonetos; o cromo tende a produzir carbonetos mais finos e estáveis que podem melhorar a resistência à iniciação de trincas por fadiga.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do equivalente de carbono e do teor de liga. Duas fórmulas empíricas comumente usadas são úteis para avaliar a dificuldade relativa:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

e

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Ambos os graus têm carbono relativamente alto (≈0.6 wt%), o que eleva o equivalente de carbono e aumenta a suscetibilidade a trincas a frio assistidas por hidrogênio e zonas afetadas pelo calor (HAZ) martensíticas duras na soldagem. - O 60Si2CrA geralmente tem maior Cr e menor Mn; o termo Cr em $CE_{IIW}$ aumenta o CE um pouco, o que pode reduzir a soldabilidade em comparação com um aço de carbono não ligado. No entanto, como o Mn tem uma contribuição mais forte para a endurecibilidade por unidade, o efeito líquido depende da composição exata. - Orientação prática: - Pré-aquecimento, temperatura de interpassagem controlada e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) são frequentemente necessários para montagens soldadas de qualquer grau, especialmente para seções mais grossas. - Para estruturas soldadas críticas, considere o uso de parafusos ou metais de enchimento de baixo carbono ou qualificação de procedimento para mitigar trincas na HAZ.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, 60Si2MnA ou 60Si2CrA, são aços inoxidáveis; ambos requerem proteção de superfície para ambientes externos ou corrosivos.
• Opções típicas de proteção:
• Galvanização a quente, eletrogalvanização ou revestimentos de zinco para proteção geral contra corrosão.
• Pinturas protetoras, revestimento em pó ou revestimentos de conversão (fosfatização) onde o desgaste por contato é limitado.
• Para superfícies tribológicas, pode-se usar endurecimento de superfície mais revestimentos sacrificial.
• PREN não é aplicável porque estes são aços de liga de baixo Cr não inoxidáveis. A fórmula PREN:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

é relevante para graus inoxidáveis e não tem significado para estes aços de carbono.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade:
• Ambos os graus têm Si e C elevados, o que reduz a maquinabilidade em relação aos aços de baixo carbono. A dureza após o tratamento térmico influencia fortemente a maquinabilidade—condições pré-tratadas ou recozidas são mais fáceis de usinar.
• O cromo aumenta ligeiramente o desgaste das ferramentas; a maquinabilidade é semelhante entre os dois em condições de dureza comparáveis.
• Formabilidade:
• Na condição como laminado ou normalizado, ambos podem ser moldados com práticas padrão de conformação a quente/frio, mas os aços de mola têm ductilidade limitada em comparação com aços macios.
• A dobra a frio para raios pequenos deve ser evitada, a menos que o material esteja em um estado mais macio (recozido).
• Acabamento de superfície:
• Desbaste e polimento são comumente usados para melhorar a vida útil à fadiga; o 60Si2CrA pode mostrar melhor acabamento para peças de fadiga devido a estruturas de carbonetos mais estáveis.

8. Aplicações Típicas