GCr15 vs ZGCr15 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

GCr15 e ZGCr15 são dois aços para rolamentos de cromo de alto carbono intimamente relacionados, comumente encontrados por projetistas, planejadores de fabricação, gerentes de compras e metalurgistas. O dilema da seleção geralmente gira em torno do desempenho em fadiga e desgaste versus geometria do componente e eficiência de produção: uma variante é otimizada como um aço para rolamentos forjado/comprimido com controle rigoroso de limpeza e microestrutura, enquanto a outra é produzida como uma variante fundida destinada a formas maiores ou complexas, onde a fundição oferece vantagens de custo ou fabricação. Ambas as classes são comparadas porque nominalmente compartilham a mesma química de liga, mas diferem na rota de produção e nas consequentes microestruturas, desempenho mecânico e limitações de processamento.

Engenheiros avaliam essas classes ao especificar rolamentos, rolos, eixos, carcaças ou grandes componentes de desgaste, onde custo, entrega, vida útil em fadiga e usinabilidade devem ser equilibrados entre si.

1. Normas e Designações

• As principais normas que referenciam essas químicas e aplicações incluem: GB (norma nacional chinesa), JIS (Normas Industriais Japonesas) e convenções internacionais de aço para rolamentos, onde GCr15 é amplamente reconhecido como a designação chinesa que corresponde a aços para rolamentos semelhantes ao AISI 52100. As normas ASTM/ASME e EN não usam exatamente o rótulo GCr15, mas utilizam designações equivalentes de aço para rolamentos nesses sistemas.
• Classificação por família:
• GCr15: Aço para rolamentos de cromo de alto carbono (liga forjada/tipo ferramenta usada para rolamentos).
• ZGCr15: Variante fundida da mesma composição nominal de liga destinada a componentes fundidos (aço carbono-cromo fundido).

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: estratégia típica de liga e presença de elementos para cada classe

Elemento	GCr15 (estratégia típica)	ZGCr15 (variante fundida — estratégia típica)
C	Alto carbono — elemento de endurecimento primário para desgaste e endurecibilidade martensítica
Mn	Presente em níveis baixos a moderados para auxiliar na endurecibilidade e desoxidação
Si	Baixo a moderado; atua como desoxidante e afeta a fluidez nas variantes fundidas
P	Mantido baixo (controle de impurezas) para desempenho em fadiga
S	Mantido baixo; às vezes ligeiramente mais alto nas variantes fundidas, mas controlado para evitar fragilização
Cr	Adição de liga primária (≈1–2%) para aumentar a endurecibilidade, resistência ao desgaste e resistência ao revenido
Ni	Não é tipicamente adicionado
Mo	Não é tipicamente adicionado nas versões padrão; pode estar presente em variantes modificadas
V	Não é tipicamente adicionado nas classes base; às vezes microaleado em variantes especiais
Nb, Ti, B	Não comum nas classes padrão; pode aparecer na fabricação de aço especializada para controle de grão
N	Não é uma adição de liga de design; controlado para evitar nitretos que afetam a usinabilidade

Notas: - A estratégia de liga para ambas as classes gira em torno de alto carbono e cromo para permitir uma matriz martensítica endurecível adequada para fadiga de contato por rolamento e resistência ao desgaste. - A variante fundida pode ter pequenos ajustes intencionais (por exemplo, silício ligeiramente mais alto para fluidez de fundição ou prática de desoxidação modificada), mas a filosofia de liga em massa é a mesma: alto C + ~1,3–1,6% Cr com baixos elementos indesejáveis.

Como a liga afeta o desempenho: - O carbono aumenta a dureza e a resistência ao desgaste alcançáveis, mas reduz a soldabilidade e aumenta a endurecibilidade. - O cromo melhora a endurecibilidade, a retenção de dureza no revenido e a resistência ao desgaste, mas não é suficiente nos níveis utilizados para fornecer resistência à corrosão. - Níveis baixos de Mn e Si equilibram a endurecibilidade e o controle de inclusões. Fósforo ou enxofre excessivos reduzem a vida útil em fadiga e a tenacidade.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura sob rotas de processamento padrão: - GCr15 (forjado/comprimido/laminado): Tipicamente processado para refinar e homogeneizar a austenita antes do resfriamento. Após o tratamento térmico padrão (austenitização, resfriamento em óleo/água e revenido), a microestrutura esperada é martensita revenida com distribuição de carbonetos fina e controlada (carbonetos de Fe-Cr). A forja e a laminação quebram a segregação fundida e reduzem grandes inclusões não metálicas, melhorando a resistência à fadiga. - ZGCr15 (fundido): A microestrutura como fundido contém segregação dendrítica, carbonetos como fundido e uma maior probabilidade de inclusões não metálicas maiores ou porosidade se não forem devidamente controladas. Tratamentos térmicos subsequentes (normalização, resfriamento e revenido, e às vezes recozimento para usinabilidade) podem transformar a matriz em martensita revenida, mas alguns defeitos de fundição e redes de carbonetos podem permanecer e limitar o desempenho em fadiga em comparação com o material forjado.

Efeitos de tratamentos térmicos comuns: - Normalização: Refina a microestrutura fundida e reduz a segregação — especialmente importante para ZGCr15 fundido antes dos tratamentos de resfriamento finais. - Resfriamento e revenido: Produz microestrutura de alta dureza e resistência à fadiga em ambas as classes; material forjado/laminado geralmente atinge tamanho de grão de austenita anterior mais fino e melhor tenacidade. - Processamento termo-mecânico (laminação/forjamento mais tratamento térmico): Em GCr15, a deformação controlada antes do tratamento térmico melhora o fluxo de grão, fecha vazios e resulta em superior resistência à fadiga de contato por rolamento e tenacidade em comparação com variantes fundidas.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: comparação qualitativa das tendências de propriedades mecânicas (dependente do tratamento térmico)

Propriedade	GCr15 (forjado/laminado)	ZGCr15 (fundido)
Resistência à Tração	Alta quando resfriada e revenida; capaz de alta resistência à fadiga devido à microestrutura forjada limpa
Resistência ao Esforço	Alta após tratamento térmico apropriado; consistente em seções
Alongamento	Moderado a baixo (aços de alto carbono), mas geralmente melhor retido em material forjado
Tenacidade ao Impacto	Melhor em GCr15 forjado/laminado devido a menos defeitos de fundição e microestrutura mais fina
Dureza	Pode alcançar alta dureza (classes de rolamento) em ambos; dureza alcançável semelhante, mas a tenacidade em uma dada dureza é tipicamente superior em GCr15

Explicação: - GCr15 geralmente oferece maior tenacidade efetiva e vida útil em fadiga mais confiável em durezas comparáveis, porque a forja e a laminação minimizam a segregação e os defeitos e produzem uma distribuição controlada de carbonetos. - ZGCr15 pode alcançar dureza e resistência local comparáveis quando devidamente tratado termicamente, mas seções fundidas grandes e defeitos de fundição tornam a vida útil em fadiga e a tenacidade ao impacto menos previsíveis; tratamentos térmicos apropriados e controles de qualidade (por exemplo, tratamento térmico pós-fundição, homogeneização e inspeção) reduzem a diferença.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade: - Ambas as classes são de alto carbono, e o alto teor de carbono reduz severamente a soldabilidade devido à alta endurecibilidade (risco de trincas na ZAE, formação de martensita). - Microaleação e teor de cromo aumentam ainda mais a endurecibilidade, aumentando o risco de trincas a frio se pré-aquecimento e controle de entrada de calor não forem utilizados.

Índices úteis (para interpretação qualitativa): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (DIF) para julgamento geral de soldabilidade: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação: - Ambas as fórmulas mostram que valores mais altos de C, Cr, Mo, V aumentam o índice e indicam pior soldabilidade. GCr15 e ZGCr15 geralmente resultam em valores elevados de CE e Pcm devido aos seus teores de carbono e cromo. - Orientação prática: evite soldar quando possível; se a soldagem for necessária, aplique pré-aquecimento, temperatura de interpassagem controlada, procedimentos de baixo hidrogênio e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT). O ZGCr15 fundido pode ser mais difícil de soldar de forma confiável devido à porosidade ou inclusões, a menos que a qualidade da fundição seja alta e os procedimentos de soldagem sejam otimizados.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Essas classes não são aços inoxidáveis. O cromo a ~1–2% proporciona melhor endurecibilidade e alguma resistência à oxidação em temperaturas elevadas, mas não confere resistência significativa à corrosão em ambientes atmosféricos ou aquosos.
• Estratégias de proteção de superfície incluem:
• Revestimentos protetores (pintura, revestimento em pó)
• Galvanização (para peças menores ou onde a adesão é aceitável)
• Revestimento fino de cromo duro, nitretação ou cementação para superfícies de desgaste (superfícies de rolamento frequentemente retificadas e às vezes revestidas ou tratadas quimicamente)
• PREN (número equivalente de resistência à picotagem) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis. Para referência, PREN é calculado como: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$, mas esse índice é significativo apenas para ligas inoxidáveis com Cr, Mo e N significativos.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade:
• GCr15 recozido (barra forjada) usina razoavelmente bem para aço de alto carbono quando sua dureza é reduzida; o tamanho do carboneto e o controle de inclusões afetam a vida útil da ferramenta.
• ZGCr15 fundido pode ter usinabilidade variável devido a redes locais de carbonetos e inclusões; seções fundidas às vezes requerem operações de acabamento agressivas.
• Formabilidade:
• Ambas as classes têm formabilidade a frio limitada devido ao alto carbono. A conformação geralmente ocorre em condição recozida ou por meio de conformação a quente para material forjado.
• Retificação e acabamento:
• Ambos são comumente retificados para tolerâncias de rolamento após o tratamento térmico. O GCr15 forjado frequentemente resulta em integridade superficial superior e estabilidade dimensional previsível.
• Tratamentos de superfície e acabamento de precisão são rotineiros para aplicações de rolamento; peças fundidas podem exigir usinagem adicional para remover irregularidades de fundição antes do tratamento térmico final e da retificação.

8. Aplicações Típicas

GCr15 (forjado/laminado)	ZGCr15 (fundido)
Rolamentos (anéis, rolos, esferas fabricados a partir de barra forjada/laminada)	Grandes componentes de desgaste e carcaças onde a fundição reduz o custo de fabricação (por exemplo, blanks de engrenagem grandes, carcaças de rolamento)
Eixos, eixos principais, rolos que requerem alta vida útil em fadiga	Componentes com geometria complexa que são difíceis de usinar a partir de barra sólida
Anéis de rolamento de precisão e trilhos após retificação e tratamento térmico	Componentes de bomba e válvula onde resistência ao desgaste é desejada, mas a carga de fadiga é menor
Rolos de precisão pequenos a médios, cames e eixos	Anéis de grande diâmetro ou peças de reposição temporárias onde a fundição oferece benefício de tempo/custo

Racional de seleção: - Escolha o GCr15 forjado/laminado quando a vida útil em fadiga, integridade superficial e propriedades mecânicas previsíveis forem críticas (por exemplo, rolamentos de precisão, altas cargas cíclicas). - Escolha o ZGCr15 quando a geometria da peça, tamanho ou economia de produção favorecerem a fundição e quando cargas de serviço aceitáveis e controles de qualidade estiverem em vigor para gerenciar as restrições de fadiga e tenacidade.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo:
• O custo da matéria-prima das ligas é semelhante porque a composição química é comparável. Diferenças de custo surgem da rota de fabricação: forjamento/laminação e usinagem subsequente para GCr15 versus trabalho de fundição e potencialmente menos usinagem líquida para ZGCr15.
• Para geometrias simples e altos volumes de produção, o estoque de barra forjada (GCr15) é frequentemente mais econômico devido ao fornecimento estabelecido de barras/varas. Para formas grandes ou complexas, a fundição (ZGCr15) pode reduzir o desperdício de material e o tempo de usinagem, compensando os custos do processo de fundição.
• Disponibilidade:
• GCr15 está amplamente disponível como barra, anéis e blanks de rolamento pré-acabados de muitos fornecedores.
• ZGCr15 está disponível em fundições; os prazos de entrega dependem do tamanho da fundição, ferramentas e necessidades de processamento pós-fundição. A disponibilidade variará mais com a capacidade da fundição e o peso da fundição.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumindo os principais trade-offs

Critério	GCr15 (forjado/laminado)	ZGCr15 (fundido)
Soldabilidade	Pobre (alto C, requer procedimentos especiais)	Pobre a desafiador (aumenta o risco de defeitos de fundição)
Força–Tenacidade (efetiva)	Alta resistência à fadiga efetiva e tenacidade em uma dada dureza	Boa resistência local, mas menor tenacidade efetiva em fadiga devido a defeitos de fundição
Custo (típico)	Moderado para barras/anéis padrão; econômico para peças pequenas/médias	Frequentemente econômico para formas grandes/complexas; maior variabilidade no prazo de entrega

Conclusões: - Escolha GCr15 se: - O componente requer alta vida útil em fadiga de contato por rolamento, tenacidade previsível e integridade superficial (por exemplo, rolamentos de precisão, eixos, rolos). - Tolerâncias dimensionais rigorosas e limpeza metalúrgica superior são necessárias. - Você tem acesso a estoque de barra forjada e linhas de usinagem/tratamento térmico eficientes.

• Escolha ZGCr15 se:
• A geometria ou tamanho do componente torna a usinagem a partir da barra ineficiente ou não econômica (anéis grandes, carcaças complexas).
• A economia de produção e o prazo de entrega são melhorados pela fundição, e o tratamento térmico pós-fundição e a inspeção de qualidade podem controlar defeitos.
• Cargas de serviço são moderadas ou disposições de projeto mitigam a sensibilidade à fadiga (por exemplo, tratamentos de superfície localizados, fatores de segurança conservadores ou ambientes de carga cíclica baixa).

Nota final: A composição química para ambas as classes é nominalmente semelhante, portanto, a rota de fabricação e o consequente controle da microestrutura, limpeza e tratamento térmico são os fatores decisivos. Para aplicações críticas de rolamento ou de alta ciclagem, o GCr15 forjado/laminado é geralmente a escolha mais segura; para peças de grande escala, complexas ou de baixa a moderada carga onde a fundição oferece uma vantagem de fabricação, o ZGCr15 pode ser apropriado, desde que o processamento e a inspeção pós-fundição mitigem os defeitos relacionados à fundição.