GCr15 vs GCr18 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros GCr15 y GCr18 son aceros al cromo de alto carbono estrechamente relacionados, ampliamente utilizados en rodamientos, piezas de desgaste y componentes de precisión. Al elegir entre ellos, los ingenieros y responsables de compras suelen sopesar las ventajas y desventajas de la dureza alcanzable, la capacidad de endurecimiento total, la resistencia al desgaste y el coste. Algunos contextos típicos de decisión incluyen: la especificación de una pista de rodamiento donde la vida útil a la fatiga y la dureza superficial son primordiales, la selección de un eje o rodillo que requiere un endurecimiento más profundo, o la optimización del coste de compra frente a la vida útil.

La principal diferencia metalúrgica entre estos grados radica en el mayor contenido de cromo del GCr18 en comparación con el GCr15. Esta mayor concentración de cromo modifica el equilibrio de aleación, favoreciendo una mayor templabilidad y la formación de carburos, lo que a su vez influye en la respuesta al tratamiento térmico, el comportamiento al desgaste y las consideraciones de fabricación. Dado que ambos son aceros con alto contenido de carbono y cromo, destinados a aplicaciones similares, suelen compararse directamente en lo que respecta al diseño y la fabricación.

1. Normas y designaciones

• Referencias y equivalentes internacionales comunes:
• GB (China): GCr15, GCr18 (grados nacionales chinos utilizados en rodamientos y componentes de desgaste).
• EN / ISO: 100Cr6 (EN) se suele equiparar en la práctica a GCr15/AISI 52100.
• JIS: SUJ2 se compara comúnmente con GCr15.

• ASTM/ASME: no existe una designación ASTM universal uno a uno para estos grados GB específicos, pero AISI 52100 es el análogo estadounidense común para GCr15.

• Clasificación:

• Tanto el GCr15 como el GCr18 son aceros para rodamientos de alto carbono y cromo, no inoxidables (aceros de aleación de alto carbono diseñados para ofrecer resistencia al desgaste y a la fatiga). No son aceros inoxidables ni aceros estructurales HSLA de baja aleación.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Composición típica (en % peso, aproximada; consulte la norma específica o el certificado de fábrica para conocer los límites exactos)

Elemento	GCr15 (típico)	GCr18 (típico)
do	0,95–1,05	0,95–1,05
Minnesota	0,25–0,45	0,25–0,45
Si	0,17–0,37	0,17–0,37
PAG	≤0,025 (máx.)	≤0,025 (máx.)
S	≤0,025 (máx.)	≤0,025 (máx.)
Cr	1,40–1,65 (aprox.)	1,70–2,00 (aprox.; superior a GCr15)
Ni	≤0,30 (traza)	≤0,30 (traza)
Mes	≤0,10 (generalmente ausente)	≤0,10 (generalmente ausente)
V, Nb, Ti, B, N	trazas o impurezas controladas	trazas o impurezas controladas

Notas: - Los valores anteriores son rangos típicos indicativos utilizados en la práctica industrial; verifique siempre con los certificados de prueba de fábrica o la especificación GB/T correspondiente. - El cambio composicional clave es la elevación deliberada del cromo en GCr18 en relación con GCr15; los demás elementos permanecen comparables y generalmente bajos.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono proporciona la base para la templabilidad y la dureza martensítica alcanzable; ambos grados son de alto carbono para lograr una alta dureza y resistencia al desgaste. El cromo aumenta la templabilidad, la formación de carburos (carburos de cromo) y la resistencia al revenido. Un mayor contenido de Cr mejora el endurecimiento total y la resistencia al desgaste, además de aumentar la estabilidad al revenido. - El manganeso y el silicio actúan como desoxidantes y contribuyen modestamente a la templabilidad; los elementos de aleación traza o la microaleación (V, Nb) influirán en la dispersión fina de carburos si están presentes.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas y respuestas al tratamiento térmico: - Estado recocido/esferoidizado: ambos grados se entregan o procesan comúnmente en una estructura perlítica esferoidizada o de ferrita + carburo esferoidizada para mejorar la maquinabilidad y la conformabilidad antes del tratamiento térmico final. Estado templado y revenido: el tratamiento térmico produce martensita templada hasta alcanzar la dureza requerida, con una dispersión de carburos ricos en cromo. La morfología y la fracción volumétrica de los carburos se ven influenciadas por el nivel de Cr; el GCr18 tiende a formar una fracción ligeramente mayor de carburos estables y puede presentar carburos de Cr más finos o más numerosos con tratamientos térmicos comparables. - Normalización: restaura una microestructura perlítica/templada fina antes del mecanizado de acabado o el endurecimiento; el efecto es similar para ambos grados. - Influencia de un mayor contenido de Cr en GCr18: - Mayor templabilidad: GCr18 logra estructuras martensíticas más profundas para la misma severidad de temple o permite un temple de menor severidad para alcanzar una dureza objetivo, mejorando la uniformidad en secciones más grandes. - Estabilidad/volumen de carburos: un mayor contenido de Cr tiende a estabilizar los carburos y puede reducir el ablandamiento por revenido para una temperatura de revenido determinada, lo que mejora la resistencia al desgaste pero puede reducir la tenacidad si aumenta el tamaño/continuidad de los carburos.

El procesamiento termomecánico que refina el tamaño del grano de austenita previo y dispersa los carburos puede beneficiar a ambos grados; el mayor contenido de Cr del GCr18 proporciona un mayor margen para el endurecimiento total en secciones más gruesas.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Comportamiento mecánico comparativo (cualitativo, dependiente del tratamiento térmico y del tamaño de la sección)

Propiedad	GCr15	GCr18
Resistencia a la tracción (endurecido)	Alto; rango típico de acero para rodamientos	Similar o ligeramente superior (debido a una mayor templabilidad)
Fuerza de fluencia	Alto (dependiente del tratamiento térmico)	Similar a ligeramente superior en las secciones más profundamente enfriadas
Alargamiento (ductilidad)	De baja a moderada después del endurecimiento	Similar o ligeramente reducido si aumenta el volumen de carburo
resistencia al impacto	Generalmente mejor en condiciones comparables (un poco más indulgente).	Ligeramente inferior a dureza equivalente si aumenta la fracción de carburo.
Dureza (endurecido/templado)	Puede alcanzar durezas típicas de rodamientos (muy altas).	Dureza máxima comparable; más fácil de lograr a través del espesor

Interpretación: Ambas calidades están diseñadas para ofrecer alta dureza y resistencia a la fatiga. El mayor contenido de cromo del GCr18 mejora el endurecimiento total y la estabilidad del revenido, lo que permite una resistencia a la tracción similar o ligeramente superior para componentes más gruesos o bajo regímenes de temple más suaves. Sin embargo, un mayor contenido de carburos puede reducir ligeramente la tenacidad a la entalla y la ductilidad, por lo que los diseñadores deben equilibrar la dureza y la tenacidad en función de la aplicación.

5. Soldabilidad

Consideraciones sobre la soldabilidad: - El alto contenido de carbono en ambos grados limita la soldabilidad; el precalentamiento, la temperatura controlada entre pasadas y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) suelen ser necesarios para evitar el agrietamiento en frío y la martensita quebradiza en las zonas afectadas por el calor. - La mayor templabilidad (debido a un mayor contenido de Cr) en GCr18 aumenta el riesgo de microestructuras HAZ duras y quebradizas después de la soldadura, lo que requiere procedimientos de soldadura más conservadores que en GCr15 en algunos casos.

Fórmulas útiles de equivalencia de carbono (interpretación cualitativa; no sustituyen la calificación del procedimiento): - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - PCM internacional para la evaluación de la soldabilidad: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación: - Ambos grados producen altos $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ en relación con los aceros estructurales de bajo carbono; el mayor contenido de Cr en GCr18 aumenta modestamente estos índices, lo que indica una propensión ligeramente mayor al endurecimiento y agrietamiento de la ZAT si se intenta soldar sin controles. - Recomendación práctica: minimizar la soldadura en superficies de apoyo críticas; si la soldadura es inevitable, utilizar precalentamiento cualificado, consumibles con composición adecuada, geometría de ranura estrecha y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para templar la ZAT.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el GCr15 ni el GCr18 son inoxidables; su resistencia a la corrosión es limitada y depende en gran medida del acabado superficial, los lubricantes y los controles ambientales.
• Métodos de protección estándar: lubricación con aceite o grasa para los cojinetes, fosfatado para resistencia a la corrosión antes de pintar, galvanizado en caliente o pintura para componentes estructurales/de desgaste cuando corresponda.
• PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) es un índice del acero inoxidable: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice no es aplicable a GCr15/GCr18 porque no son aleaciones inoxidables (Cr insuficiente y prácticamente nada de Mo/N para proporcionar formación de película pasiva).

Nota práctica: El contenido ligeramente superior de Cr del GCr18 proporciona una resistencia a la corrosión marginalmente mejor en términos puramente químicos, pero la diferencia es pequeña e irrelevante para entornos que requieren una verdadera resistencia a la corrosión; tales aplicaciones necesitan aceros inoxidables o recubrimientos superficiales.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• Ambos grados son difíciles de mecanizar en estado endurecido; el mecanizado normalmente se realiza en estado recocido o esferoidizado para proteger la vida útil de las herramientas y la precisión dimensional.
• El GCr18 puede presentar un desgaste abrasivo ligeramente mayor en las herramientas de corte debido a un mayor contenido de carburo; el material de la herramienta y las condiciones de corte deben seleccionarse en consecuencia (insertos de carburo, refrigerante, avance/velocidad apropiados).
• Formabilidad:
• Un alto contenido de carbono reduce la ductilidad en estado endurecido; el conformado en frío es limitado y normalmente requiere un recocido previo.
• Para las operaciones de doblado y conformado, el recocido completo o el recocido esferoidizado son habituales para evitar el agrietamiento.
• Acabado superficial:
• Las operaciones de rectificado y acabado de las superficies de los cojinetes son estándar; un mayor contenido de Cr puede aumentar el desgaste de la muela, pero también proporciona una mejor resistencia al desgaste de la pieza terminada.

8. Aplicaciones típicas

GCr15 (usos típicos)	GCr18 (usos típicos)
Rodamientos de bolas y rodillos de precisión (pistas, bolas)	Cojinetes y rodillos donde se requiere un endurecimiento más profundo o una resistencia al desgaste ligeramente mejorada
Ejes y husillos para máquinas herramienta	Rodillos, ejes y anillos de desgaste de mayor sección que requieren endurecimiento total
Anillos de desgaste, bujes, levas (donde se requiere alta dureza superficial)	Componentes que operan bajo mayores tensiones de contacto o secciones transversales más grandes
Componentes endurecidos de precisión que requieren una alta vida útil a la fatiga	Aplicaciones que se benefician de una mayor resistencia al revenido o un contenido de carburo ligeramente superior.

Justificación de la selección: - Elija GCr15 cuando el rendimiento estándar del acero para rodamientos, la amplia disponibilidad y las rutas de procesamiento establecidas sean consideraciones primordiales. - Elija GCr18 cuando el espesor de la sección o la geometría dificulten el endurecimiento total para GCr15 o cuando se desee una mejora modesta en la resistencia al temple/rendimiento al desgaste y se acepte una pequeña pérdida de tenacidad.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El GCr18 suele tener un precio ligeramente superior al del GCr15 debido a su mayor contenido en cromo y a una demanda más especializada. La diferencia de precio varía según los precios de mercado de los elementos de aleación y las prácticas de los proveedores.
• Disponibilidad: El GCr15 es muy común y se encuentra ampliamente disponible en forma de barras, anillos y rodamientos terminados. El GCr18 está disponible, pero es menos común; puede encontrarse en proveedores especializados o fabricarse bajo pedido para componentes más pesados ​​o de mayor rendimiento.
• Formas del producto: ambos grados están disponibles como barras laminadas en caliente y estiradas en frío, anillos y piezas forjadas en bruto; las piezas de rodamientos terminadas constituyen una cadena de suministro madura para GCr15.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Resumen rápido

Atributo	GCr15	GCr18
soldabilidad	Desafiante (alta concentración); mejor que GCr18 en las mismas condiciones	Ligeramente peor debido a su mayor templabilidad.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Buen equilibrio para muchas aplicaciones de rodamientos	Mayor resistencia/endurecimiento total a costa de una tenacidad ligeramente menor.
Costo	Menor / ampliamente disponible	Mayor / menos común

Recomendaciones: - Elija GCr15 si: - Necesita un acero para rodamientos de eficacia probada, con procesos de fabricación consolidados y una amplia disponibilidad de proveedores. - El componente es relativamente delgado o puede someterse a un enfriamiento rápido, de modo que el endurecimiento total no sea un factor limitante. - El coste y la estandarización del suministro son las principales limitaciones.

• Elija GCr18 si:
• Las limitaciones de tamaño de sección, diseño o temple hacen que un endurecimiento más profundo sea deseable para garantizar propiedades uniformes en todo el espesor.
• La aplicación se beneficia de una mayor resistencia al revenido o de un modesto aumento de la resistencia al desgaste, y el diseño tolera una pequeña reducción de la tenacidad a la muesca.
• Usted acepta un modesto sobrecoste y plazos de entrega potencialmente más largos para suministros especializados.

Nota final: Ambos grados requieren una especificación precisa del tratamiento térmico, el acabado superficial y los regímenes de lubricación para lograr un rendimiento óptimo frente a la fatiga y el desgaste. Para rodamientos críticos o componentes rotativos de alta fiabilidad, colabore con proveedores de materiales y especialistas en tratamientos térmicos para producir y validar las condiciones exactas (perfil de dureza, microestructura, tensiones residuales) requeridas por la aplicación.