ZF100 vs ZF140 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

ZF100 e ZF140 são graus de aço comercial encontrados em cadeias de suprimento para componentes de engenharia, fabricação pesada e peças sujeitas a desgaste ou carga. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente enfrentam o dilema da seleção entre um aço de liga mais baixa, mais fácil de fabricar, e uma alternativa de maior liga e maior resistência, onde a demanda em serviço justifica o custo extra. Os contextos típicos de decisão incluem equilibrar soldabilidade vs. resistência, custo de produção vs. vida útil e facilidade de tratamento térmico vs. dureza alcançável.

A principal distinção técnica entre os dois graus reside em sua estratégia de liga: ZF140 é formulado com um maior grau de adições de liga para aumentar a dureza e a resistência elevada, enquanto ZF100 é especificado mais próximo de uma composição de liga mais baixa e mais fácil de soldar. Por causa disso, os projetistas os comparam frequentemente quando as compensações entre resistência, tenacidade, soldabilidade e custo são críticas.

1. Normas e Designações

• Principais especificações internacionais de aço que são usadas para classificar ou comparar aços similares:
• ASTM / ASME (Estados Unidos)
• EN / EN ISO (Europa)
• JIS (Japão)
• GB (China)
• ISO (Internacional)
• Nota sobre equivalentes diretos: ZF100 e ZF140 são designações de produtos de fornecedores ou regionais, em vez de nomes universalmente padronizados. Os compradores devem solicitar certificados de teste de fábrica e fichas de dados químicos/mecânicos para referência cruzada exata com graus ASTM, EN, JIS ou GB.
• Classificação (geral):
• ZF100: tipicamente comercializado como um aço estrutural/engenharia de liga ou liga média (tratável termicamente, não inoxidável).
• ZF140: tipicamente comercializado como um aço estrutural/engenharia de maior liga com dureza e resistência aprimoradas (aço de liga tratável termicamente).
• Nenhum deles é comumente classificado como aço inoxidável; eles não são aços para ferramentas per se, mas podem ser usados em aplicações de têmpera e revenido semelhantes aos aços HSLA/ligados, dependendo da formulação.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Abaixo está uma comparação qualitativa da composição. Como as designações ZF são específicas do fornecedor e as faixas de composição variam por fonte, a tabela usa descritores de nível relativo (Traço / Baixo / Médio / Alto / Notável) em vez de porcentagens absolutas.

Elemento	Papel típico	ZF100 (relativo)	ZF140 (relativo)
C (carbono)	Resistência, dureza, compensação de soldabilidade	Médio	Médio-Alto
Mn (manganês)	Resistência, desoxidação, dureza	Médio	Médio-Alto
Si (silício)	Desoxidação, resistência	Baixo-Médio	Baixo-Médio
P (fósforo)	Impureza; risco de fragilização	Traço-Baixo	Traço-Baixo
S (enxofre)	Usinabilidade (se adicionado), mas risco de fragilização	Traço	Traço
Cr (cromo)	Dureza, desgaste, resistência à corrosão	Baixo	Médio
Ni (níquel)	Tenacidade em baixa temperatura	Traço-Baixo	Traço-Baixo
Mo (molibdênio)	Dureza, resistência ao creep	Traço-Baixo	Baixo-Médio
V (vanádio)	Refinamento de grão, resistência ao revenido	Traço	Traço-Baixo
Nb/Ti/B (microligação)	Controle de grão, endurecimento por precipitação	Traço (possível)	Traço-Baixo (possível)
N (nitrogênio)	Resistência via nitretos se ligado	Traço	Traço

Como a liga afeta o desempenho - O aumento de carbono e manganês eleva a resistência e a dureza, mas reduz a soldabilidade e a ductilidade se não for controlado. - O cromo, molibdênio e vanádio aumentam a dureza e a resistência a altas temperaturas e melhoram a resistência ao revenido—útil para seções mais grossas que necessitam de endurecimento uniforme. - Elementos de microligação (Nb, Ti, V) refinam o tamanho do grão e melhoram a tenacidade sem grandes penalidades de carbono. - O maior conteúdo de liga agregado em ZF140 resulta em melhor dureza e maior resistência após a têmpera; ZF100 enfatiza propriedades equilibradas com características de fabricação aprimoradas.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas - ZF100: Quando normalizado, produz uma mistura de ferrita e perlita ou estruturas bainíticas refinadas dependendo do resfriamento. Quando temperado e revenido, forma martensita revenida ou bainita revenida com ductilidade e tenacidade favoráveis se o teor de carbono for moderado. - ZF140: Com maior liga e dureza, a têmpera produz de forma mais confiável uma estrutura martensítica ou martensítica-bainítica mesmo em seções mais grossas. Após o revenido, espera-se martensita revenida com maior resistência retida e resistência ao revenido.

Rotas de tratamento térmico e efeitos - Normalização: Ambos os graus respondem à normalização com refinamento de grão; o conteúdo de liga de ZF140 desacelera a cinética de transformação, produzindo bainita/martensita mais fina nas mesmas taxas de resfriamento em relação ao ZF100. - Têmpera e revenido: ZF140 atinge maior dureza; para condições de têmpera equivalentes, ZF140 geralmente alcançará maior dureza após a têmpera e, portanto, maior resistência após o revenido. ZF100 requer uma têmpera menos severa ou temperaturas de revenido mais baixas para alcançar resistências moderadas com tenacidade aprimorada. - Processamento termo-mecânico: A laminação a quente com resfriamento controlado (TMCP) pode produzir microestruturas bainíticas de grão fino em ambos os graus; os efeitos são mais pronunciados em ZF140 devido ao controle de transformação assistido por liga.

4. Propriedades Mecânicas

Como as especificações variam entre os fornecedores, a tabela abaixo fornece descritores comparativos em vez de valores absolutos.

Propriedade	ZF100 (típico)	ZF140 (típico)
Resistência à tração	Moderada	Maior
Resistência ao escoamento	Moderada	Maior
Alongamento (ductilidade)	Melhor (maior)	Menor-moderada
Tenacidade ao impacto	Boa (especialmente quando revenida)	Boa, mas pode exigir revenido controlado para evitar fragilização
Dureza (HRC/HB relativa)	Moderada	Maior

Interpretação - ZF140 é projetado para maior resistência e dureza devido ao maior conteúdo de liga e dureza. Isso o torna preferível onde capacidade de carga, resistência ao desgaste ou seções de alta resistência tratadas termicamente mais finas são necessárias. - ZF100 geralmente oferece superior ductilidade e facilidade de obtenção de tenacidade em uma variedade de tratamentos térmicos, tornando-o mais tolerante na fabricação e para montagens soldadas.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do equivalente de carbono, liga, espessura da seção e controle térmico pré/pós-solda. Índices representativos usados por engenheiros:

• Equivalente de carbono (forma IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Interpretação qualitativa - ZF100: O menor conteúdo de liga geralmente resulta em um menor $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$, traduzindo-se em melhor soldabilidade e menores requisitos de pré-aquecimento/tratamento térmico pós-solda (PWHT) para espessuras de seção de finas a moderadas. - ZF140: O maior teor de liga aumenta tanto o $CE_{IIW}$ quanto o $P_{cm}$; isso eleva o risco de fissuração a frio induzida por hidrogênio e dureza do metal de solda martensítico. Pré-aquecimento, temperaturas interpasso controladas, consumíveis de baixo hidrogênio e PWHT são mais propensos a serem necessários—especialmente para seções mais grossas.

Orientação prática - Sempre calcule o equivalente de carbono relevante a partir da química do moinho e avalie para a espessura da seção. - Especifique qualificações de procedimento de soldagem (WPS/PQR) e limites de medição de hidrogênio para ZF140 em condições exigentes.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, ZF100 ou ZF140, é inoxidável por formulações padrão; a resistência à corrosão vem de tratamentos de superfície.
• Estratégias de proteção comuns:
• Galvanização a quente para proteção atmosférica.
• Revestimentos orgânicos (tinta, revestimento em pó) para proteção decorativa e contra corrosão.
• Metalização ou revestimento para resistência localizada ao desgaste e à corrosão.
• Quando ligas inoxidáveis ou resistentes à corrosão são necessárias, estas não são substitutos. Não use índices inoxidáveis como PREN, a menos que o aço contenha liga inoxidável intencional: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Nota: PREN geralmente não é aplicável para ZF100/ZF140, a menos que um fornecedor forneça explicitamente químicas de grau inoxidável.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: ZF100 geralmente é mais fácil de usinar devido à menor dureza e conteúdo de liga. ZF140, com maior dureza e liga, pode exigir ferramentas mais robustas, velocidades de corte mais baixas e trocas de ferramentas mais frequentes.
• Formabilidade: ZF100 oferece melhor capacidade de conformação a frio devido à maior ductilidade. ZF140 pode exigir conformação a quente ou procedimentos de dobra controlados, e o comportamento de retorno deve ser considerado.
• Acabamento: Retificação, jateamento e acabamento de superfície consomem mais recursos em ZF140 devido à maior dureza; o controle de estresse superficial durante o processamento também é mais crítico.

8. Aplicações Típicas

ZF100 – Usos típicos	ZF140 – Usos típicos
Partes estruturais gerais, eixos de média resistência, estruturas, montagens soldadas onde o custo de fabricação e a soldabilidade são importantes	Eixos de alta resistência, engrenagens, componentes de desgaste pesado, peças tratadas termicamente onde maior dureza e resistência são necessárias
Componentes que requerem boa ductilidade e tenacidade ao impacto após tratamento térmico padrão	Componentes em seções mais grossas onde o endurecimento uniforme é necessário sem severidade excessiva na têmpera
Peças de máquinas de média resistência e suportes que serão protegidos com revestimentos	Peças expostas a estresse mecânico elevado, desgaste moderado ou carregamento de fadiga exigente

Racional de seleção - Escolha o grau que corresponda ao requisito funcional em vez de apenas à resistência nominal. ZF100 é adequado quando a fabricação, soldabilidade e eficiência de custo dominam. ZF140 é escolhido onde maior resistência em serviço, resistência ao desgaste ou a capacidade de alcançar dureza uniforme em seções mais grossas é obrigatória.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: ZF140 é tipicamente mais caro por tonelada devido ao maior conteúdo de liga e controles de processamento/tratamento térmico mais rigorosos. ZF100 tende a ser a opção de menor custo.
• Disponibilidade: Ambos os graus podem estar disponíveis em chapa, barra e forjados de moinhos especializados; no entanto, análogos de ZF100 são mais amplamente estocados. ZF140 pode ser produzido sob encomenda ou ter prazos de entrega mais longos, dependendo do produtor e do tratamento térmico necessário.
• Conselho de compras: Solicite condição de tratamento térmico, certificados de teste de fábrica (químicos e mecânicos), condição de entrega e forma de fornecimento (chapa, barra, forjamento). Negocie prazos de entrega e quantidades mínimas de pedido para graus não padrão.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumo (qualitativa)

Critérios	ZF100	ZF140
Soldabilidade	Melhor (menor CE)	Moderada–Desafiadora (maior CE)
Equilíbrio resistência–tenacidade	Boa tenacidade e ductilidade a resistência moderada	Maior resistência com boa tenacidade se devidamente revenido
Custo	Menor	Maior

Conclusão - Escolha ZF100 se: - A velocidade de fabricação, soldabilidade e menor custo do material forem os principais fatores. - As peças forem de espessura fina a moderada onde alta dureza não é necessária. - Ductilidade e tenacidade absorvedora de energia forem importantes.

• Escolha ZF140 se:
• Maior resistência à tração e resistência ao desgaste forem essenciais.
• Componentes devem alcançar resistências elevadas após a têmpera e revenido em seções mais grossas.
• O projeto puder acomodar procedimentos de soldagem mais exigentes, pré-aquecimento/PWHT e maior custo de material para vida útil prolongada.

Nota final de compras: Sempre obtenha os dados químicos e mecânicos exatos do moinho para o lote específico de ZF100 ou ZF140 que está sendo considerado. Use cálculos de equivalente de carbono e validação de WPS/PQR para qualificar procedimentos de soldagem e especifique tratamento térmico pós-solda onde exigido pelas condições de serviço.