Aço Liga 4130: Propriedades e Aplicações

O aço-liga 4130 é classificado como um aço de médio carbono e baixa liga pelo sistema AISI. Sua designação destaca seus principais elementos de liga: cromo (aproximadamente 1%) e molibdênio (aproximadamente 0,20%). Este aço versátil oferece uma combinação sólida de resistência, tenacidade e soldabilidade.

1. Composição química do aço de liga 4130

A composição química típica do aço 4130 (em porcentagem de peso) é:

• Carbono (C):28-0.33% (Fornece um equilíbrio entre resistência e ductilidade)
• Manganês (Mn):40-0.60% (Contribui para a temperabilidade e resistência)
• Silício (Si):20-0.35% (Atua como desoxidante e pode aumentar a resistência)
• Cromo (Cr):80-1.10% (melhora a temperabilidade, a resistência à corrosão e a resistência ao desgaste)
• Molibdênio (Mo):15-0.25% (Aumenta a temperabilidade e a resistência a altas temperaturas e resiste à fragilização por revenimento)
• Fósforo (P) e Enxofre (S): Mantido baixo (tipicamente máximo 0,030-0,040% cada)
• Cobre (Cu): Pode estar presente (até 0,35% em algumas especificações)

2. Características de temperabilidade

O aço-liga 4130 é endurecível em água com temperabilidade baixa a intermediária. Isso significa que atingir a dureza total por meio de têmpera requer uma análise cuidadosa da espessura da seção. Seções mais finas ou meios de têmpera mais agressivos (como água) são geralmente necessários em comparação com aços com maior temperabilidade. O diâmetro crítico (DI) ideal ilustra isso; por exemplo, um calor específico com 0,29% C, 1,02% Cr e 0,15% Mo calculou um DI de 68,3 mm (2,69 pol.).

3. Tratamento térmico do aço de liga 4130

O AISI 4130 é um aço de médio carbono e baixa liga altamente versátil, conhecido por sua resistência, tenacidade e soldabilidade. Seus principais elementos de liga são o cromo e o molibdênio. Para aproveitar ao máximo as capacidades do aço 4130 e adaptar suas propriedades mecânicas a aplicações específicas, um tratamento térmico preciso é essencial. A resposta do aço 4130 a diversos ciclos térmicos permite um amplo espectro de características de desempenho.

3.1 Processos comuns de tratamento térmico para 4130

Com base na ampla experiência do setor e em dados técnicos, a Aobo Steel descreve os principais tratamentos térmicos aplicáveis ao aço 4130:

3.1.1 Normalizando

• Objetivo: Para refinar a estrutura dos grãos do aço, melhorando a uniformidade e aumentando a usinabilidade após forjamento ou laminação.
• Processo: Aqueça o aço uniformemente a uma temperatura entre 870 °C e 925 °C (1600 °F a 1700 °F). Essa faixa é de aproximadamente 55 °C a 85 °C (100 °F a 150 °F) acima da temperatura crítica superior (Ac3), garantindo a transformação completa em austenita. Mantenha a temperatura por tempo adequado para garantir a penetração do calor, normalmente 1 hora para cada 25 mm (1 polegada) de espessura máxima, com um tempo mínimo de retenção frequentemente especificado. Resfrie ao ar parado até a temperatura ambiente.
• Pós-normalização: É prática comum temperar aço 4130 normalizado em temperaturas de 480°C (900°F) ou mais para atingir requisitos específicos de resistência ao escoamento.

3.1.2 Recozimento

• Objetivo: Para produzir a condição mais macia possível para o aço 4130, maximizando a ductilidade para operações como conformação a frio ou usinagem complexa.
• Processo: Aqueça o aço a uma temperatura entre 830 °C e 870 °C (1525 °F a 1600 °F). Mantenha a temperatura por um período que depende do tamanho da seção ou da carga do forno. Essencialmente, resfrie muito lentamente dentro do forno, normalmente a uma taxa não superior a 15 °C por hora (30 °F por hora), até aproximadamente 480 °C (900 °F). Abaixo dessa temperatura, o resfriamento pode continuar ao ar. Esse resfriamento lento e controlado promove a formação de uma microestrutura de perlita macia e grosseira.

3.1.3 Têmpera e revenimento (endurecimento)

• Objetivo: Para desenvolver alta resistência, dureza e tenacidade, a condição mais comum para aplicações estruturais do 4130.
• Austenitização: Aqueça o aço uniformemente até a temperatura de austenitização adequada. Normalmente, esta temperatura fica entre 855 °C e 865 °C (1575 °F a 1600 °F), dependendo da composição exata e do tamanho da seção. Mantenha a temperatura por tempo suficiente para a austenitização completa.
• Têmpera: Resfrie rapidamente o aço a partir da temperatura de austenitização. Devido à temperabilidade baixa a intermediária do aço 4130, o meio de têmpera (água, óleo ou polímero) deve ser selecionado cuidadosamente com base na espessura da seção transversal do componente e nas propriedades finais desejadas. A água proporciona um resfriamento mais rápido e maior dureza em seções mais finas, mas aumenta o risco de distorção. A têmpera em óleo é comum para seções moderadas. Atingir a taxa de resfriamento crítica, especialmente na faixa de transformação em torno de 540 °C (1000 °F), é vital para obter uma estrutura totalmente martensítica, principalmente em seções mais espessas.
• Têmpera: Reaqueça o aço temperado (endurecido) a uma temperatura específica abaixo da temperatura crítica inferior (Ac1). As temperaturas de revenimento para o aço 4130 variam tipicamente de 205 °C a 705 °C (400 °F a 1300 °F). Mantenha a temperatura de revenimento (geralmente por pelo menos 2 horas) e, em seguida, resfrie (tipicamente ao ar). O revenimento reduz a fragilidade da martensita temperada e estabelece o equilíbrio final entre dureza, resistência e tenacidade. Temperaturas de revenimento mais baixas produzem maior resistência e dureza, enquanto temperaturas mais altas aumentam a ductilidade e a tenacidade em detrimento da resistência.

3.2 Considerações sobre temperabilidade

A temperabilidade do aço 4130 é um fator crítico. Ela descreve a capacidade do aço de endurecer através de sua seção transversal durante a têmpera.

• O aço 4130 tem temperabilidade baixa a intermediária em comparação aos aços de liga superior.
• Espessura da Seção: A dureza alcançável e a profundidade de têmpera dependem muito do tamanho do componente. Seções mais espessas resfriam mais lentamente, especialmente no núcleo, resultando potencialmente em uma microestrutura menos uniforme e dureza do núcleo menor do que a da superfície.
• Diâmetro Crítico Ideal (DI): Este valor calculado (por exemplo, ~68 mm ou ~2,7 polegadas para uma composição típica em condições ideais) indica o diâmetro máximo teórico que pode ser endurecido até o centro sob uma têmpera perfeita. Resultados práticos com têmperas menos severas (óleo, polímero) permitirão um endurecimento em profundidades menores.
• Severidade de têmpera: A seleção cuidadosa do processo de têmpera é vital para atingir as propriedades desejadas sem causar rachaduras ou distorção excessiva, especialmente quando comparado a aços de alto carbono como 4140, que apresentam maior temperabilidade, mas também maior risco de fissuras por têmpera.

3.3 Alívio do estresse

• Objetivo: Para reduzir tensões internas induzidas por processos de fabricação como usinagem pesada, conformação a frio ou soldagem, frequentemente realizados antes endurecimento final ou em peças normalizadas/recozidas.
• Processo: Aqueça o aço uniformemente a uma temperatura tipicamente entre 650 °C e 675 °C (1200 °F a 1250 °F). Mantenha por tempo suficiente (por exemplo, 1 hora por polegada de espessura), seguido de resfriamento lento (geralmente em forno ou ar).
• Nota importante: Se o alívio do estresse for realizado depois têmpera e revenimento, a temperatura de alívio de tensões deve ser mantida abaixo da temperatura de revenimento original (geralmente pelo menos 15°C ou 25°F mais baixa) para evitar impacto negativo nas propriedades mecânicas previamente estabelecidas.

4. Visão geral das propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas finais do aço 4130 dependem diretamente do tratamento térmico aplicado. As condições de têmpera e revenimento oferecem uma ampla gama de valores de resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e dureza.

É importante considerar o efeito de massa: seções transversais maiores esfriam mais lentamente durante o resfriamento, resultando em menor dureza e resistência no núcleo em comparação à superfície ou em comparação a seções menores que recebem o mesmo tratamento térmico.

Propriedades mecânicas típicas do aço 4130 tratado termicamente

Temperatura de têmpera		Resistência à tracção		Resistência ao escoamento		Alongamento em 50 mm (2 pol.), %	Redução de Área, %	Dureza, HB	Energia de Impacto Izod
°C	°F	MPa	ksi	MPa	ksi				J	pés-lb
Temperado e temperado em água
205	400	1765	256	1520	220	10	33	475	18	13
260	500	1670	242	1430	208	11.5	37	455	14	10
315	600	1570	228	1340	195	13	41	425	14	10
370	700	1475	214	1250	182	15	45	400	20	15
425	800	1380	200	1170	170	16.5	49	375	34	25
540	1000	1170	170	1000	145	20	56	325	81	60
650	1200	965	140	830	120	22	63	270	135	100
Temperado e revenido em óleo
205	400	1550	225	1340	195	11	38	450	—	—
260	500	1500	218	1275	185	11.5	40	440	—	—
315	600	1420	206	1210	175	12.5	43	418	—	—
370	700	1320	192	1120	162	14.5	48	385	—	—

Efeitos da massa nas propriedades típicas do aço 4130 tratado termicamente

Tamanho da barra	Resistência à tracção	Limite de escoamento	Alongamento em 50 mm (2 pol.), %	Redução de área, %	Dureza superficial, HB
milímetros	MPa	ksi	MPa	ksi	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

Fonte: MANUAL ASM

5. Aplicações comuns

Graças ao seu perfil de desempenho confiável, o aço 4130 é usado em vários setores:

• Componentes automotivos (por exemplo, eixos)
• Peças estruturais que exigem boa resistência e tenacidade
• Eixos, engrenagens e rolamentos que necessitam de boa resistência à fadiga e ao desgaste (geralmente em condições temperadas)
• Aplicações que exigem alta tenacidade (em condições esferoidizadas)
• Processos de endurecimento por feixe de elétrons

Embora não seja classificado como aço primário para ferramentas, sua versatilidade o torna um material comum em salas de ferramentas.

6. Equivalentes de Normas Internacionais

O aço 4130 corresponde a designações em diversas normas internacionais:

• ASTM: A322, A29/A29M
• SAE: J404
• JIS (Japão): SCM 425, SCM 430