GCr15 vs GCr15SiMn – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

GCr15 e GCr15SiMn são aços de cromo de alta carbono de grau para rolamentos frequentemente encontrados no design de componentes, aquisição e planejamento de fabricação. Engenheiros e gerentes de compras ponderam as compensações entre vida útil de fadiga, temperabilidade, usinabilidade e custo ao escolher entre os dois: um é o bem estabelecido aço de rolamento de cromo e o outro é uma variante modificada de silício-manganês projetada para alterar a temperabilidade e a resposta ao tratamento térmico.

A principal distinção técnica é que a variante enriquecida com Si e Mn é intencionalmente ajustada para aumentar a temperabilidade e modificar a resposta ao revenimento sem alterar a química base de alto carbono e alto cromo. Como ambos são usados para elementos rolantes, eixos e peças sujeitas a desgaste, essa mudança focada na liga pode mudar as decisões de seleção onde a temperabilidade total, a espessura da seção ou as restrições de processamento em forno são importantes.

1. Normas e Designações

• Equivalentes internacionais comuns e referências cruzadas:
• China: GCr15 (GB); GCr15SiMn é tipicamente um grau proprietário ou modificado produzido de acordo com o cliente/especificação, em vez de um único padrão nacional.
• AISI/SAE: AISI 52100 (equivalente comumente referenciado ao GCr15).
• EN (Europa): 100Cr6 (equivalente aproximado).
• JIS (Japão): SUJ2.
• Classificação: Ambos são aços de rolamento de alto carbono e contendo cromo. Eles não são aços inoxidáveis; são aços de liga (ferramenta/rolamento) especializados para contato rolante e resistência ao desgaste, em vez de serviço estrutural ou resistente à corrosão.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Notas: - GCr15 é essencialmente a química do AISI 52100: alto carbono (~1.0%) e cerca de 1.5% de Cr, com baixos níveis de outros elementos de liga. - GCr15SiMn denota um aço da família GCr15 onde Si e Mn são intencionalmente elevados para alterar a temperabilidade e a evolução da microestrutura; as porcentagens exatas variam de acordo com o produtor e a especificação. Essas mudanças são modestas (mantidas consistentes com o comportamento do aço de rolamento) e destinadas a promover uma temperabilidade mais profunda e controlar a austenita retida e a resposta ao revenimento.

Como a liga afeta as propriedades: - O carbono controla principalmente a temperabilidade alcançável, a dureza do martensita e a resistência ao desgaste. - O cromo fortalece a temperabilidade, refina os carbonetos e contribui para a resistência à abrasão. - O manganês aumenta a temperabilidade e a resistência à tração, e atua como desoxidante. - O silício fortalece a matriz, auxilia na desoxidação na fabricação de aço e pode melhorar a temperabilidade e a resistência ao revenimento. - O enxofre e o fósforo são mantidos baixos para evitar fragilização e reduzir inclusões que prejudicam a vida útil de fadiga.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas e respostas típicas:

• GCr15:
• Após o tratamento térmico convencional de rolamentos (austenitização → resfriamento → revenimento), a microestrutura é predominantemente martensita revenida com carbonetos de cromo dispersos (principalmente do tipo M7C3/M3C dependendo do tratamento).

• Em seções grossas, os limites de temperabilidade podem levar a um caso martensítico mais duro e um núcleo mais macio (transformação parcial para bainita ou perlita), afetando o desempenho de fadiga.

• GCr15SiMn:

• Com maior Si e Mn, a transformação de austenita para martensita é deslocada para permitir uma temperabilidade mais profunda durante o resfriamento. A microestrutura após tratamento térmico comparável tende a ser uma martensita revenida mais uniforme através de seções mais grossas, com morfologia de carboneto semelhante, mas potencialmente uma distribuição mais fina devido à cinética de transformação modificada.
• O aumento de Si pode retardar a precipitação de carbonetos durante o revenimento, melhorando ligeiramente a resistência ao revenimento, mas pode aumentar a austenita retida se não for controlado.

Efeito das rotas de processamento: - Normalização: ambos os graus produzem microestruturas de ferrita/perlita refinadas; a normalização é usada antes das operações de acabamento para melhorar a usinabilidade. - Resfriamento e revenimento: principal rota de produção para componentes de rolamento. GCr15SiMn geralmente alcançará uma temperabilidade efetiva mais profunda para uma determinada severidade de resfriamento em comparação com o GCr15 base. - Processamento termo-mecânico: laminação controlada e resfriamento acelerado podem ser usados para refinar carbonetos e matriz; os benefícios dependem da liga e do tamanho da seção.

4. Propriedades Mecânicas

Notas: As propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico (recozido, normalizado, resfriado e revenido, endurecido por indução). A tabela abaixo fornece intervalos indicativos e típicos para material de qualidade de rolamento totalmente tratado termicamente (apenas indicativo; verificar com certificados de usina e dados de teste pós-tratamento).

Interpretação: - Em alvos de dureza equivalentes, a resistência intrínseca e a resistência ao desgaste são semelhantes porque o conteúdo base de carbono/cromo é o mesmo. O grau modificado tende a permitir uma dureza mais uniforme em seções maiores, o que pode se traduzir em maior resistência efetiva e melhor vida útil de fadiga para componentes mais grossos. - Ductilidade e tenacidade trocam com dureza; a seleção e a temperatura de revenimento devem refletir a resistência à fadiga versus resistência à fratura exigidas.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade giram em torno do alto teor de carbono e da maior temperabilidade. O uso de fórmulas de equivalente de carbono ajuda a estimar o risco de trincas a frio e as necessidades de pré-aquecimento/pós-aquecimento. Exemplos de métricas:

• Equivalente de carbono do Instituto Internacional de Soldagem: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Ito–Miyazaki ou Pcm para uma avaliação mais conservadora: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Ambos os graus têm alto C (~1.0%), o que produz um alto CE/Pcm e, portanto, baixa soldabilidade intrínseca. Pré-aquecimento, temperaturas interpass controladas e tratamento térmico pós-solda são comumente necessários para evitar trincas a frio assistidas por hidrogênio. - GCr15SiMn, com maior Mn e Si, geralmente terá um CE/Pcm aumentado em comparação com o GCr15 base, indicando maior temperabilidade e maior risco de microestrutura martensítica dura na ZTA, a menos que mitigado por controles de processo. Portanto, os procedimentos de soldagem precisam ser ajustados (pré-aquecimento mais alto e/ou PWHT, uso de técnicas de preenchimento compatíveis e de cordão de revenimento). - Para muitos componentes de rolamento, a soldagem é evitada; a união mecânica ou o acabamento a partir de lingotes forjados/laminados é preferido.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, GCr15 ou GCr15SiMn, é inoxidável; a resistência à corrosão é limitada pelo baixo teor de Cr em relação aos aços inoxidáveis.
• Estratégias de proteção típicas: lubrificação para superfícies de rolamento, revestimentos de fosfato ou conversão, pintura e galvanização quando apropriado para o ambiente de aplicação. Os rolamentos são frequentemente lubrificados em vez de revestidos.
• PREN não é aplicável porque nenhum dos graus é destinado ou formulado como inoxidável; no entanto, para ilustração: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice é significativo apenas para ligas inoxidáveis com maiores teores de Cr, Mo e N.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade:
• No estado recozido, ambos os graus têm usinabilidade aceitável para torneamento, fresamento e retificação. Os níveis de enxofre são tipicamente baixos, portanto, a usinabilidade não é aprimorada pela química de corte livre.
• Após a têmpera, a retificação e o torneamento duro são métodos de acabamento comuns. Os carbonetos potencialmente mais finos e a maior dureza total do GCr15SiMn podem aumentar o desgaste abrasivo nas ferramentas.
• Formabilidade/dobramento:
• O alto teor de carbono limita a conformação a frio; os processos geralmente envolvem conformação/aquecimento a quente seguida de tratamento térmico.
• Acabamento de superfície:
• Retificação, superacabamento e polimento por contato rolante são padrão. A distribuição de carbonetos e a dureza da matriz influenciam o acabamento superficial alcançável e o estado de tensão residual.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha o GCr15 base para componentes de rolamento de tamanho padrão e quando o controle rigoroso da prática de tratamento térmico de rolamentos tradicional (endurecimento por indução ou abordagens de endurecimento de superfície) for suficiente e custo/disponibilidade forem prioridades. - Escolha a versão modificada de SiMn quando a geometria da peça ou o tamanho da seção requererem uma temperabilidade melhorada a partir do resfriamento convencional para realizar benefícios de vida útil de fadiga e capacidade de carga, ou quando o controle de processo específico do fornecedor demonstrar desempenho melhorado para o componente pretendido.

9. Custo e Disponibilidade

• GCr15 (AISI 52100/100Cr6) é amplamente produzido e disponível em muitas usinas em todo o mundo em barras, anéis, forjados e rolamentos acabados—portanto, geralmente com custo mais baixo e fornecimento estável.
• GCr15SiMn pode ser fabricado sob encomenda ou fornecido por um conjunto menor de usinas como uma modificação especial; o custo direto do material pode ser ligeiramente mais alto, e os prazos de entrega podem ser mais longos para químicas sob medida ou variantes certificadas pelo fornecedor.
• A disponibilidade varia conforme a forma: barras e anéis de rolamento padrão de GCr15 são comuns; anéis de GCr15SiMn tratados termicamente sob medida ou grandes forjados podem exigir tempo adicional de entrega.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa):

Conclusões: - Escolha GCr15 se você precisar de um aço de rolamento bem estabelecido com certificação de usina prontamente disponível, rotas de processamento padrão e fornecimento econômico para componentes típicos de elementos rolantes em tamanhos convencionais. - Escolha GCr15SiMn se seu componente tiver seções transversais maiores ou geometria complexa onde uma temperabilidade mais profunda e uniforme é necessária para atender a metas de vida útil de fadiga ou capacidade de carga, e você estiver preparado para aceitar um custo de material modestamente mais alto ou procedimentos de processamento ajustados (tratamento térmico e soldagem).

Recomendação final: valide os certificados de material do fornecedor, solicite mapas de microestrutura e dureza em seções críticas e realize testes de fadiga em nível de componente ou testes de fadiga de contato onde as condições de serviço são exigentes. Para montagens soldadas ou onde o desempenho pós-solda é crítico, favoreça designs que evitem soldagem ou envolvam procedimentos e testes de soldagem qualificados devido ao alto carbono e à maior temperabilidade desses aços.