X12CrMo5 vs X20CrMoV12-1 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros e profissionais de compras frequentemente enfrentam a escolha entre aços que parecem semelhantes no papel, mas desempenham papéis diferentes em serviço: um oferece resistência à corrosão e resistência a altas temperaturas com tenacidade e soldabilidade razoáveis; o outro é otimizado para ferramentas de trabalho a quente e resistência ao desgaste em altas temperaturas. O dilema da seleção geralmente gira em torno de compensações entre resistência à corrosão e custo, ou entre dureza a quente/resistência ao desgaste e fabricabilidade/soldabilidade.
A distinção essencial entre esses dois aços designados pela Alemanha é funcional: um é um aço inoxidável do tipo martensítico contendo cromo, destinado a serviços de alta temperatura e resistência à corrosão, enquanto o outro é um aço ferramenta de liga de alto cromo e molibdênio-vanádio, projetado para trabalho a quente e ferramentas onde a dureza a quente e a resistência ao desgaste são críticas. Como ambos contêm adições significativas de cromo e liga, os projetistas os comparam quando as peças estarão sujeitas a carregamentos em altas temperaturas, contato abrasivo ou exposição térmica cíclica.
1. Normas e Designações
- Normas comuns onde essas designações aparecem: EN / DIN (Europeias), ISO (quando aplicável) e equivalentes nacionais (ASTM/ASME, JIS, GB). Os números exatos de referência cruzada podem variar; sempre verifique com os certificados de moinho do fornecedor e as normas atuais.
- Classe de material:
- X12CrMo5 — uma liga de cromo martensítica, comumente categorizada entre aços inoxidáveis ou resistentes ao calor, em vez de aços ferramenta.
- X20CrMoV12-1 — um aço ferramenta de trabalho a quente (classe de alto teor de Cr–Mo–V), tipicamente listado sob aços ferramenta (trabalho a quente) nas normas EN/ISO.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | X12CrMo5 (papel típico) | X20CrMoV12-1 (papel típico) |
|---|---|---|
| C | Baixo–moderado; possibilita a têmpera martensítica mantendo a soldabilidade e tenacidade aceitáveis | Moderado; suporta maior temperabilidade e resistência ao desgaste através da formação de carbonetos |
| Mn | Baixo; desoxidação e leve temperabilidade | Baixo–moderado; contribui para a temperabilidade |
| Si | Baixo; desoxidante e contribuidor de resistência | Baixo; desoxidante e resistência a altas temperaturas |
| P | Traço; mantido baixo para tenacidade | Traço; mantido baixo para tenacidade |
| S | Traço; controlado para usinabilidade | Traço; controlado para usinabilidade |
| Cr | Alto; primário para resistência à corrosão e resistência ao revenido | Muito alto; primário para dureza a quente, resistência ao desgaste e formadores de carbonetos |
| Ni | Tipicamente mínimo/ausente | Tipicamente mínimo/ausente |
| Mo | Moderado; melhora a resistência ao fluência e a resistência a altas temperaturas | Moderado–alto; melhora a dureza a quente e a resistência ao revenido |
| V | Baixo ou traço; refina carbonetos/microestrutura | Presente; forma carbonetos duros de vanádio para resistência ao desgaste |
| Nb/Ti | Geralmente ausente ou traço; estabilização de grão se presente | Possível traço; refino de grão e controle de carbonetos |
| B | Traço se presente para temperabilidade | Possível traço; modificador de temperabilidade em algumas fusões |
| N | Muito baixo; controlado | Muito baixo; controlado |
Notas: A tabela fornece presença relativa e papel metalúrgico em vez de porcentagens exatas. Para compras e controle de processo, use certificados de moinho e designações EN/ASTM para limites de composição exatos.
Como a liga afeta o comportamento: - O cromo aumenta a resistência à corrosão, resistência ao revenido e capacidade de formação de carbonetos. Em tipos inoxidáveis martensíticos, proporciona passividade; em aços ferramenta, contribui para dureza a quente e resistência ao desgaste. - O molibdênio e o vanádio aumentam a dureza a quente, resistência ao revenido e formação de carbonetos estáveis, melhorando a resistência ao desgaste em altas temperaturas. - O carbono controla a dureza e temperabilidade alcançáveis, mas reduz a soldabilidade e tenacidade à medida que aumenta.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas após processamento padrão: - X12CrMo5: condição recozida/normatizada resulta em matriz de ferrita/pearlita ou matriz martensítica macia, dependendo do tratamento. Após a têmpera e revenido, forma martensita revenida com carbonetos finamente dispersos; alguma austenita retida pode ocorrer dependendo da liga e resfriamento. - X20CrMoV12-1: na condição recozida, contém martensita revenida mais uma população significativa de carbonetos de liga (carbonetos ricos em Cr e carbonetos de vanádio). Após a têmpera e revenido apropriados para aços de trabalho a quente, uma matriz de martensita revenida com carbonetos duros estáveis fornece a combinação de tenacidade e dureza a quente.
Como os tratamentos térmicos afetam cada um: - Normalização/refino: ambas as classes se beneficiam da normalização para refinar o tamanho do grão; a distribuição de carbonetos em aços ferramenta é mais crítica e muitas vezes requer ciclos de resfriamento controlados. - Têmpera e revenido: ambas são responsivas a ciclos de têmpera e revenido. X20CrMoV12-1 é tipicamente endurecido para dureza final mais alta através de temperaturas de revenido mais altas, visando preservar a dureza a quente; o revenido produz endurecimento secundário estável devido aos carbonetos de Mo/V. X12CrMo5 é revenido para equilibrar tenacidade e dureza para o serviço e pode ser usado na condição endurecida e revenida ou como grau reforçado por precipitação para fluência. - Processamento termo-mecânico: mais comumente aplicado a aços onde a combinação de resistência e tenacidade em níveis de liga mais baixos é necessária; para aços ferramenta, forjamento controlado e tratamento térmico para otimizar a morfologia dos carbonetos é padrão.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade | X12CrMo5 (comportamento típico) | X20CrMoV12-1 (comportamento típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Moderada — suficiente para muitas peças estruturais em alta temperatura | Mais alta — projetada para tensões de tração e compressão elevadas em ferramentas |
| Limite de escoamento | Moderado | Mais alto |
| Alongamento | Maior (mais dúctil em condições comparáveis) | Menor (compensação pela dureza/resistência ao desgaste) |
| Tenacidade ao impacto | Geralmente melhor tenacidade quando devidamente revenido | Menor; aços ferramenta sacrificam alguma tenacidade por resistência ao desgaste e dureza a quente |
| Dureza (endurecido/revenido) | Moderada a alta (dependente do serviço) | Dureza alcançável tipicamente mais alta e dureza retida em altas temperaturas |
Explicação: X20CrMoV12-1 é otimizado para resistência e desgaste em altas temperaturas e, portanto, alcança maior dureza e resistência após tratamento térmico apropriado devido ao maior teor de liga e elementos formadores de carbonetos. X12CrMo5, projetado para resistir à oxidação/corrosão e manter a tenacidade, oferece melhor ductilidade e propriedades de impacto em muitas condições de revenido.
5. Soldabilidade
A soldabilidade deve ser avaliada usando conceitos de equivalente de carbono e teor de liga. Duas expressões empíricas comumente usadas:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação (qualitativa): - Um $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ calculado mais alto indica maior risco de trincas a frio e uma maior necessidade de pré-aquecimento, controle de temperatura entre passes e tratamento térmico pós-solda. - X12CrMo5 geralmente apresenta valores de equivalente de carbono mais baixos do que aços ferramenta altamente ligados, proporcionando uma soldabilidade relativamente melhor; o comportamento martensítico inoxidável ainda requer aquecimento controlado e PWHT para evitar trincas e restaurar o revenido. - X20CrMoV12-1, com maior teor de Cr, Mo e V, geralmente tem maior temperabilidade e um equivalente de carbono mais alto, tornando a soldagem mais exigente: pré-aquecimento, prática de baixo hidrogênio e PWHT são comumente requeridos. A seleção do material de soldagem deve levar em conta a temperatura de serviço requerida, a tenacidade desejada e a suscetibilidade ao embrittlement por revenido.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- X12CrMo5: sendo um tipo martensítico inoxidável contendo cromo, oferece resistência à corrosão mensurável em comparação com aços carbono comuns. Seu comportamento passivo depende do teor de cromo e do tratamento térmico; em muitos ambientes, ele se comporta melhor sem revestimentos, mas para meios agressivos, revestimentos protetores ou passivação ainda podem ser necessários.
- X20CrMoV12-1: como um aço ferramenta, não é uma classe inoxidável; requer medidas protetoras em ambientes corrosivos, como revestimentos (nitruração, revestimentos PVD/CVD para desgaste), pintura ou galvanização (galvanização é possível para algumas formas, mas pode não ser adequada para superfícies de ferramentas).
- Quando índices de corrosão são relevantes (ligas inoxidáveis), o PREN é usado para comparar a resistência à corrosão por pite:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Este índice não é aplicável a aços ferramenta projetados principalmente para desgaste/dureza a quente.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinagem: X20CrMoV12-1 é mais difícil de usinar na condição endurecida devido a carbonetos estáveis e maior dureza; na condição recozida, usina como um aço de alto teor de liga, mas requer boas ferramentas e refrigerante. A usinabilidade de X12CrMo5 é moderada e muitas vezes melhor do que a de aços ferramenta de alto teor de liga, particularmente em condições mais macias.
- Formação/dobra: X12CrMo5 na condição recozida tem melhor formabilidade; X20CrMoV12-1 não é destinado a formação severa no estado endurecido e é tipicamente trabalhado a quente ou forjado para forma quase final antes do tratamento térmico final.
- Acabamento de superfície: ambos podem ser retificados e acabados; aços de grau ferramenta frequentemente precisam de retificação especializada para lidar com carbonetos duros; graus semelhantes a inoxidáveis requerem atenção para evitar coloração por calor e preservar a resistência à corrosão.
8. Aplicações Típicas
| X12CrMo5 (usos comuns) | X20CrMoV12-1 (usos comuns) |
|---|---|
| Componentes estruturais de alta temperatura com resistência moderada à corrosão (válvulas, componentes de forno, eixos expostos à oxidação em alta temperatura) | Ferramentas de trabalho a quente: matrizes, moldes de fundição, matrizes de extrusão, matrizes de forjamento sujeitas a altas temperaturas e desgaste |
| Peças que requerem um equilíbrio entre tenacidade e resistência a altas temperaturas | Inserções, componentes de ferramentas onde a dureza a quente e resistência ao desgaste são críticas |
| Componentes usinados a partir de blocos de aço ferramenta e tratados termicamente para serviço | Componentes onde soldagem e revenido pós-solda serão utilizados |
Racional de seleção: - Escolha a liga martensítica de cromo quando resistência à corrosão, fabricação mais fácil e melhor ductilidade/tenacidade forem prioridades. - Escolha o aço ferramenta Cr–Mo–V quando a demanda primária for resistência ao desgaste, dureza a quente e estabilidade dimensional sob carregamentos térmicos/mecânicos cíclicos.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: Aços ferramenta como X20CrMoV12-1 são tipicamente mais caros por quilograma do que aços inoxidáveis martensíticos devido ao maior teor de liga (Mo, V) e processamento mais especializado. O aço ferramenta também incorre em custos de processamento mais altos (tratamento térmico, retificação).
- Disponibilidade: X12CrMo5 e graus semelhantes são comumente estocados em formas de barra, chapa e tubo por distribuidores maiores; aços ferramenta estão disponíveis, mas frequentemente em formas de produto mais limitadas (blanks de ferramentas, blocos forjados, chapas) e podem ser feitos sob encomenda ou adquiridos de fornecedores especializados em aço ferramenta.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | X12CrMo5 | X20CrMoV12-1 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa a moderada (requer PWHT para práticas inoxidáveis martensíticas) | Desafiadora—requer pré-aquecimento, prática de baixo hidrogênio, PWHT |
| Equilíbrio entre Resistência e Tenacidade | Resistência moderada com melhor ductilidade/tenacidade | Alta resistência e dureza, menor ductilidade/tenacidade |
| Custo | Baixo a moderado | Mais alto |
Recomendação: - Escolha X12CrMo5 se você precisar de um aço martensítico resistente à corrosão e ao calor, com fabricação mais tolerante e melhor tenacidade geral para componentes expostos à oxidação ou ambientes de alta temperatura levemente corrosivos, e quando soldagem ou custo for uma prioridade. - Escolha X20CrMoV12-1 se as condições de serviço exigirem alta resistência ao desgaste, dureza a quente e estabilidade dimensional sob cargas térmicas e mecânicas cíclicas (ferramentas de trabalho a quente, inserções de moldes), e onde custos mais altos de material e processamento são justificados pela vida útil e desempenho da ferramenta.
Nota final: Ambas as classes requerem a especificação de requisitos químicos e mecânicos exatos a partir de normas ou fichas técnicas de fornecedores para design, fabricação e aquisição. Use certificados de moinho e realize ensaios de soldagem de pré-qualificação onde as condições de serviço são exigentes.