GCr15 vs GCr18 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

GCr15 e GCr18 são aços de cromo de alto carbono intimamente relacionados, amplamente utilizados para rolamentos, peças de desgaste e componentes de precisão. Engenheiros e gerentes de compras comumente ponderam as compensações entre dureza alcançável, capacidade de endurecimento total, resistência ao desgaste e custo ao selecionar entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem: especificar uma pista de rolamento onde a vida útil por fadiga e a dureza da superfície são primordiais, escolher um eixo ou rolo que requer endurecimento mais profundo, ou otimizar o custo de compra em relação à vida útil do serviço.

A principal distinção metalúrgica entre essas classes é um nível de cromo aumentado em GCr18 em relação ao GCr15. Essa maior concentração de cromo desloca o equilíbrio de liga em direção a uma maior capacidade de endurecimento e formação de carbonetos, o que, por sua vez, afeta a resposta ao tratamento térmico, o comportamento de desgaste e as considerações de fabricação. Como ambos são aços de cromo de alto carbono destinados a aplicações semelhantes, eles são frequentemente comparados diretamente nas escolhas de design e fabricação.

1. Normas e Designações

• Referências e equivalentes internacionais comuns:
• GB (China): GCr15, GCr18 (classes nacionais chinesas usadas em componentes de rolamento e desgaste).
• EN / ISO: 100Cr6 (EN) é comumente equiparado a GCr15/AISI 52100 na prática.
• JIS: SUJ2 é comumente comparado com GCr15.

• ASTM/ASME: não há designação universal ASTM um-para-um para essas classes específicas da GB, mas AISI 52100 é o análogo comum nos EUA para GCr15.

• Classificação:

• Tanto GCr15 quanto GCr18 são aços de rolamento de cromo de alto carbono não inoxidáveis (aços de liga de alto carbono focados na resistência ao desgaste e à fadiga). Eles não são classes inoxidáveis, nem são aços estruturais de baixa liga HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: Composição típica (wt%, aproximada; consulte a norma específica ou o certificado do moinho para limites exatos)

Elemento	GCr15 (típico)	GCr18 (típico)
C	0.95–1.05	0.95–1.05
Mn	0.25–0.45	0.25–0.45
Si	0.17–0.37	0.17–0.37
P	≤0.025 (máx)	≤0.025 (máx)
S	≤0.025 (máx)	≤0.025 (máx)
Cr	1.40–1.65 (aprox.)	1.70–2.00 (aprox.; maior que GCr15)
Ni	≤0.30 (traço)	≤0.30 (traço)
Mo	≤0.10 (geralmente ausente)	≤0.10 (geralmente ausente)
V, Nb, Ti, B, N	Impurezas traço ou controladas	Impurezas traço ou controladas

Notas: - Os valores acima são intervalos típicos indicativos usados na prática industrial; sempre verifique contra certificados de teste do moinho ou a especificação GB/T relevante. - A principal mudança composicional é a elevação deliberada do cromo em GCr18 em relação a GCr15; outros elementos permanecem comparáveis e geralmente baixos.

Como a liga afeta as propriedades: - O carbono fornece a base para a capacidade de endurecimento e a dureza martensítica alcançável; ambas as classes são de alto carbono para suportar alta dureza e resistência ao desgaste. - O cromo aumenta a capacidade de endurecimento, carbonetos (carbonetos de cromo) e resistência ao revenido. Um maior teor de Cr melhora o endurecimento total e a resistência ao desgaste, e aumenta a estabilidade do revenido. - O manganês e o silício atuam como desoxidantes e contribuintes modestos para a capacidade de endurecimento; elementos de liga traço ou micro-liga (V, Nb) influenciarão a dispersão de carbonetos finos, se presentes.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas e respostas ao tratamento térmico: - Condição recozida / esferoidizada: ambas as classes são comumente entregues ou processadas em uma estrutura esferoidizada perlítica ou esferoidizada de ferrita + carboneto para melhorar a usinabilidade e a conformabilidade antes do tratamento térmico final. - Condição de tempera: o tratamento térmico produz martensita temperada para a dureza requerida com uma dispersão de carbonetos ricos em cromo. A morfologia do carboneto e a fração de volume são influenciadas pelo nível de Cr; GCr18 tende a formar uma fração ligeiramente maior de carbonetos estáveis e pode mostrar carbonetos de Cr mais finos ou mais numerosos em tratamentos térmicos comparáveis. - Normalização: restaura uma microestrutura perlítica/tempera fina antes da usinagem final ou endurecimento; efeito semelhante para ambas as classes. - Influência do maior Cr em GCr18: - Aumento da capacidade de endurecimento: GCr18 alcança estruturas martensíticas mais profundas para a mesma severidade de resfriamento ou permite um resfriamento de menor severidade para atingir uma dureza alvo, melhorando a uniformidade em seções maiores. - Estabilidade/volume do carboneto: mais Cr tende a estabilizar carbonetos e pode reduzir o amolecimento por revenido para uma dada temperatura de revenido, o que melhora a resistência ao desgaste, mas pode reduzir a tenacidade se o tamanho/continuidade do carboneto aumentar.

Processamento termo-mecânico que refina o tamanho do grão de austenita anterior e dispersa carbonetos pode beneficiar ambas as classes; o maior Cr de GCr18 oferece mais margem para endurecimento total em seções mais espessas.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Comportamento mecânico comparativo (qualitativo, dependente do tratamento térmico e do tamanho da seção)

Propriedade	GCr15	GCr18
Resistência à tração (endurecida)	Alta; faixa típica de aço para rolamentos	Semelhante ou ligeiramente maior (devido à maior capacidade de endurecimento)
Resistência ao escoamento	Alta (dependente do tratamento térmico)	Semelhante ou marginalmente maior em seções de resfriamento mais profundo
Alongamento (ductilidade)	Baixo a moderado após endurecimento	Semelhante ou marginalmente reduzido se o volume de carboneto aumentar
Tenacidade ao impacto	Geralmente melhor em condições comparáveis (ligeiramente mais tolerante)	Ligeiramente inferior em dureza equivalente se a fração de carboneto aumentar
Dureza (endurecida/tempera)	Pode alcançar durezas típicas de rolamentos (muito alta)	Dureza de pico comparável; mais fácil de alcançar através da espessura

Interpretação: - Ambas as classes são projetadas para alta dureza e resistência à fadiga. O maior teor de cromo em GCr18 melhora o endurecimento total e a estabilidade do revenido, permitindo resistência à tração semelhante ou ligeiramente maior para componentes mais espessos ou sob regimes de resfriamento mais brandos. No entanto, o aumento do conteúdo de carboneto pode reduzir ligeiramente a tenacidade de entalhe e a ductilidade, portanto, os projetistas devem equilibrar dureza e tenacidade com base na aplicação.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade: - O alto teor de carbono em ambas as classes limita a soldabilidade; pré-aquecimento, temperatura de interpassagem controlada e tratamento térmico pós-solda (PWHT) são comumente exigidos para evitar trincas a frio e martensita quebradiça em zonas afetadas pelo calor. - O aumento da capacidade de endurecimento (devido ao maior Cr) em GCr18 aumenta o risco de microestruturas HAZ duras e quebradiças após a soldagem, exigindo procedimentos de soldagem mais conservadores do que GCr15 em alguns casos.

Fórmulas úteis de equivalente de carbono (interprete qualitativamente — não substitua pela qualificação do procedimento): - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm internacional para avaliação 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 classes apresentam altos $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em relação a aços estruturais de baixo carbono; o maior Cr em GCr18 aumenta esses índices modestamente, indicando uma ligeiramente maior propensão ao endurecimento e trincas na HAZ se a soldagem for tentada sem controles. - Recomendação prática: minimize a soldagem em superfícies críticas de rolamento; se a soldagem for inevitável, use pré-aquecimento qualificado, consumíveis com composição correspondente, geometria de ranhura estreita e PWHT para temperar a HAZ.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, GCr15 ou GCr18, é inoxidável; a resistência à corrosão é limitada e em grande parte uma função do acabamento superficial, lubrificantes e controles ambientais.
• Abordagens protetivas padrão: lubrificação com óleo ou graxa para rolamentos, fosfatização para resistência à corrosão antes da pintura, galvanização a quente ou pintura para componentes estruturais/de desgaste, quando apropriado.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) é um índice de aço inoxidável: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice não é aplicável a GCr15/GCr18 porque não são ligas inoxidáveis (Cr insuficiente e essencialmente nenhum Mo/N para fornecer formação de filme passivo).

Nota prática: o ligeiramente maior Cr de GCr18 oferece resistência à corrosão marginalmente melhor em termos puramente químicos, mas a diferença é pequena e irrelevante para ambientes que requerem verdadeira resistência à corrosão — tais aplicações precisam de aços inoxidáveis ou revestimentos de superfície.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Usinabilidade:
• Ambas as classes são desafiadoras para usinar na condição endurecida; a usinagem é normalmente realizada na condição recozida ou esferoidizada para proteger a vida útil das ferramentas e a precisão dimensional.
• GCr18 pode apresentar desgaste abrasivo ligeiramente maior nas ferramentas de corte devido ao aumento do conteúdo de carboneto; o material da ferramenta e as condições de corte devem ser selecionados de acordo (inserções de carboneto, refrigerante, avanço/velocidade apropriados).
• Conformabilidade:
• O alto teor de carbono reduz a ductilidade na condição endurecida; a conformação a frio é limitada e normalmente requer recozimento primeiro.
• Para operações de dobra e conformação, o recozimento completo ou recozimento esferoidizado é padrão para evitar trincas.
• Acabamento de superfície:
• Operações de retificação e acabamento para superfícies de rolamento são padrão; maior Cr pode aumentar o desgaste da roda, mas também suporta melhor resistência ao desgaste para a peça acabada.

8. Aplicações Típicas

GCr15 (usos típicos)	GCr18 (usos típicos)
Rolamentos de esferas e rolos de precisão (pistas, esferas)	Rolamentos e rolos onde endurecimento mais profundo ou resistência ao desgaste ligeiramente melhorada é necessária
Eixos e fusos para máquinas-ferramentas	Rolos de seção mais pesada, eixos e anéis de desgaste que requerem endurecimento total
Anéis de desgaste, buchas, cames (onde alta dureza superficial é requerida)	Componentes que operam sob maiores esforços de contato ou seções transversais maiores
Componentes endurecidos de precisão que requerem alta vida útil por fadiga	Aplicações que se beneficiam de resistência ao revenido melhorada ou conteúdo de carboneto marginalmente maior

Racional de seleção: - Escolha GCr15 quando o desempenho padrão do aço para rolamentos, ampla disponibilidade e rotas de processamento estabelecidas forem considerações primárias. - Escolha GCr18 quando a espessura da seção ou geometria dificultar o endurecimento total para GCr15 ou quando uma melhoria modesta na resistência ao revenido/desempenho de desgaste for desejada e uma pequena compensação na tenacidade for aceitável.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: GCr18 geralmente exige um prêmio modesto sobre GCr15 devido ao maior teor de cromo e demanda mais especializada. O delta de preço varia com os preços de mercado dos elementos de liga e práticas dos fornecedores.
• Disponibilidade: GCr15 é extremamente comum e amplamente estocado em formas de barra, anel e produto de rolamento acabado. GCr18 está disponível, mas menos onipresente — pode ser estocado por fornecedores especializados ou produzido sob encomenda para componentes mais pesados ou de maior desempenho.
• Formas de produto: ambas as classes estão disponíveis como barras laminadas a quente e trefiladas a frio, anéis e blanks forjados; peças de rolamento acabadas são uma cadeia de suprimento madura para GCr15.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: Resumo rápido

Atributo	GCr15	GCr18
Soldabilidade	Desafiadora (alto C); melhor que GCr18 para as mesmas condições	Ligeiramente pior devido à maior capacidade de endurecimento
Equilíbrio Força–Tenacidade	Bom equilíbrio para muitas aplicações de rolamento	Força ligeiramente maior/endurecimento total à custa de tenacidade marginalmente menor
Custo	Mais baixo / amplamente disponível	Mais alto / menos comum

Recomendações: - Escolha GCr15 se: - Você requer um aço para rolamentos comprovado com rotas de processamento maduras e ampla disponibilidade de fornecedores. - O componente é relativamente fino ou pode ser resfriado agressivamente de modo que o endurecimento total não seja limitante. - Custo e fornecimento padronizado são restrições primárias.

• Escolha GCr18 se:
• O tamanho da seção, design ou limitações de resfriamento tornam o endurecimento mais profundo desejável para garantir propriedades consistentes através da espessura.
• A aplicação se beneficia de resistência ao revenido melhorada ou um aumento modesto na resistência ao desgaste e o design tolera uma pequena redução na tenacidade de entalhe.
• Você aceita um prêmio de custo modesto e potencialmente prazos de entrega mais longos para fornecimento especializado.

Nota final: Ambas as classes requerem especificação cuidadosa do tratamento térmico, acabamento superficial e regimes de lubrificação para realizar desempenho de fadiga e desgaste. Para rolamentos críticos ou componentes rotativos de alta confiabilidade, trabalhe com fornecedores de materiais e especialistas em tratamento térmico para produzir e qualificar a condição exata (perfil de dureza, microestrutura, tensões residuais) exigida pela aplicação.