Aço DIN 1652-3 20CrS4: Alto Desgaste e Usinabilidade para Aplicações Automotivas e Mecânicas

Visão Geral

O aço 20CrS4 (1.7028) é um aço de cromo de baixa liga com adição de enxofre para livre usinagem, projetado para peças que combinam alta resistência ao desgaste (após cementação/têmpera) com produtividade excepcional na usinagem. É amplamente utilizado na indústria automotiva e de máquinas para componentes como árvores de cames, pinos de pistão e engrenagens de precisão.

A faixa de enxofre controlada (0,020-0,035%) garante a formação de inclusões de sulfeto de manganês (MnS) tipo II/III, que promovem a quebra de cavacos sem comprometer excessivamente a tenacidade transversal. A condição de fornecimento típica é trefilada/descascada com estrutura ferrito-perlítica (197 HB no estado recozido mole). Temperatura mínima de serviço: -25 °C; diâmetro ótimo para têmpera: 5-10 mm.

Posicionamento na Família de Aços para Cementação

Aço	Norma	Enxofre	Usinabilidade	Aplicação Principal
16MnCr5	1.7131	≤0,035%	Boa	Engrenagens gerais, eixos
20Cr4	1.7027	≤0,035%	Boa	Peças cementadas padrão
20CrS4	1.7028	0,02-0,035%	Excelente	Alta produção, geometrias complexas
18CrNi8	1.5920	≤0,035%	Regular	Alta tenacidade de núcleo

Composição Química (% em massa)

Elemento	Teor	Função
Carbono (C)	0,17 – 0,23	Dureza de caixa após cementação
Cromo (Cr)	0,90 – 1,20	Têmpera, resistência ao desgaste, suporte de cementação
Manganês (Mn)	0,60 – 0,90	Têmpera, formador de MnS (quebra-cavaco)
Silício (Si)	≤ 0,40	Desoxidante, ferrita
Fósforo (P)	≤ 0,040	Impureza (controlada)
Enxofre (S)	0,020 – 0,035	Forma MnS – livre usinagem

Propriedades Físicas e Mecânicas

Propriedades Gerais

Propriedade	Temperatura	Valor
Densidade	20 °C	7,83 g/cm³

Propriedades Mecânicas (Estado Recozido Mole / Ferrito-Perlítico)

Propriedade	Temperatura	Valor
Módulo de Elasticidade (E)	-100 °C	217 GPa
	20 °C	212 GPa
	100 °C	207 GPa
	200 °C	199 GPa
	300 °C	192 GPa
	400 °C	184 GPa
	500 °C	175 GPa
	600 °C	164 GPa
Dureza Brinell (HBW)	20 °C	197
Coeficiente de Poisson	20 °C	0,28

Propriedades Térmicas

Propriedade	Temperatura	Valor	Comentário
Coef. de Dilatação Térmica (10⁻⁶/K)	-100 °C	10,5
	20 °C	11,5
	100 °C	12,1
	200 °C	12,7
	300 °C	13,2
	400 °C	13,6
	500 °C	14,0
	600 °C	14,4
	Temp. Máx. Serviço Contínuo	-	-25 a 0 °C	Limite inferior de tenacidade
Ponto de Fusão	-	1382 – 1529 °C	Típico para aços ao cromo
Calor Específico (J/kg·K)	-100 °C	423
	20 °C	461
	100 °C	479
	200 °C	499
	300 °C	517
	400 °C	536
	500 °C	558
	600 °C	587
Condutividade Térmica (W/m·K)	20 °C	45,1
	100 °C	45,1
	200 °C	44,1
	300 °C	41,9
	400 °C	39,4
	500 °C	36,9
	600 °C	34,4
Difusividade Térmica (mm²/s)	20 °C	12,5
	100 °C	11,6
	200 °C	10,6
	300 °C	9,5
	400 °C	8,4
	500 °C	7,1
	600 °C	5,8

Propriedades Elétricas

Propriedade	Temperatura	Valor
Resistividade Elétrica (10⁻⁷ Ω·m)	20 °C	2,31
	100 °C	2,84
	200 °C	3,58
	300 °C	4,48
	400 °C	5,52
	500 °C	6,71
	600 °C	8,06

Propriedades Após Tratamento Térmico (Cementação + Têmpera + Revenimento)

Propriedade	Valor Típico	Condição
Dureza de caixa (superfície)	58 – 62 HRC	Profundidade 0,5 – 1,2 mm
Dureza de núcleo	30 – 35 HRC (280 – 330 HB)	Após revenimento 150-200 °C
Resistência à tração (núcleo)	1000 – 1200 MPa
Limite de escoamento (núcleo)	800 – 950 MPa
Alongamento (A5)	8 – 12%	Núcleo
Resiliência (KV, 20 °C)	8 – 15 J	Núcleo, direção longitudinal
Resiliência (KV, -20 °C)	5 – 10 J	Limite de aplicação

Processo de Fabricação Otimizado para 20CrS4

1. Usinagem no Estado Fornecido (Trefilado/Descascado)

• Ferramentas de carbeto revestidas (PVD/CVD) – graus P15-P25
• Velocidades de corte: 200-350 m/min (torneamento), 150-250 m/min (fresamento)
• Refrigeração: Emulsão 5-8% ou MQL (lubrificação mínima)
• Geometria de quebra-cavaco: Tipo "M" ou "F" para acabamento

2. Tratamento Térmico Final

1. Normalização (opcional): 870-900 °C / ar – se necessário refinar grão
2. Cementação: 920 ± 10 °C, tempo conforme profundidade (ex: 1,0 mm ≈ 4-5h)
3. Resfriamento lento: Forno ou ar para evitar trincas de têmpera
4. Têmpera: 800-830 °C / óleo (ou polímero PAG 10-15%)
5. Revenimento: 180 ± 20 °C / 2h mínimo (duplo revenimento recomendado)

3. Acabamento Final

• Retificação CBN para dureza 58-62 HRC
• Lapidação/politriz para superfícies de contato (Ra < 0,2 µm)
• Inspeção dimensional e metalográfica (profundidade de caixa, microestrutura)

Aplicações Principais por Setor

Automotivo (Powertrain)

• Árvores de cames (DOHC, SOHC) – perfis complexos, alta produção
• Pinos de pistão – diâmetros 18-25 mm, alta precisão geométrica
• Engrenagens de caixa de marcha – módulos 1,5-3,0
• Componentes de comando de válvulas variável (VVT)
• Eixos de balanceamento

Máquinas e Equipamentos

• Engrenagens de precisão para redutores
• Fusos de esferas e fusos trapezoidais
• Pinos e buchas de articulações
• Componentes de sistemas hidráulicos (pistões, carretéis)

Comparação de Custo-Benefício

Fator	20Cr4	20CrS4	Vantagem 20CrS4
Preço material (€/kg)	Base	+3 a 5%	-
Tempo de usinagem	100%	60-70%	-30 a 40%
Desgaste ferramenta	100%	40-50%	-50 a 60%
Acabamento superficial	Ra 1,6-3,2	Ra 0,8-1,6	Melhor
Custo total peça	100%	85-90%	Economia 10-15%

Normas e Especificações Relacionadas

• DIN EN 10083-3: Aços para têmpera e revenimento e para cementação – Parte 3
• DIN 1652-3: Barras de aço para cementação – Dimensões e tolerâncias
• ISO 683-11: Aços para cementação
• VDA 239-100: Requisitos para aços automotivos (se aplicável)

Resumo de Seleção

Escolha o 20CrS4 quando:

• Volume de produção alto (milhares de peças/ano)
• Geometria complexa requerendo usinagem extensiva
• Diâmetro nominal 5-25 mm (ótimo 5-10 mm)
• Não há necessidade de soldagem posterior
• Solicitação transversal moderada (não crítica)
• Busca redução de custo total de fabricação

Para peças soldadas, forjadas a quente, ou com solicitação transversal severa, prefira o 20Cr4 (1.7027) ou 16MnCr5 (1.7131).