GCr15 vs SUJ2 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

GCr15 e SUJ2 são dois aços para rolamentos de cromo de alto carbono amplamente utilizados, especificados respectivamente nas normas nacionais chinesas e japonesas. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente enfrentam um dilema de seleção entre eles ao especificar elementos de rolamento, eixos de precisão e componentes resistentes ao desgaste — equilibrando custo, conveniência da cadeia de suprimentos, resposta ao tratamento térmico e operações a montante, como usinagem, retificação e acabamento.

Em um nível metalúrgico, essas classificações são funcionalmente equivalentes: ambos são aços para rolamentos de cromo de alto carbono (próximo a 1,0% C), desenvolvidos para alta dureza, resistência à fadiga e estabilidade dimensional após têmpera e revenido. As diferenças práticas que impulsionam a escolha, portanto, não são grandes diferenças de composição, mas sim tolerâncias padrão, formas de produto disponíveis, sistemas de qualidade dos fornecedores e práticas de tratamento térmico comumente utilizadas localmente.

1. Normas e Designações

• GCr15: designação da norma nacional chinesa para um aço para rolamentos equivalente aos aços para rolamentos internacionais comuns (frequentemente comparado ao AISI 52100). É classificado como um aço para rolamentos de cromo de alto carbono.
• SUJ2: designação da Norma Industrial Japonesa (JIS) para um aço de cromo com 1% C (equivalente à família AISI 52100/5210). Também classificado como um aço para rolamentos de cromo de alto carbono.
• Normas relacionadas/globais e referências cruzadas comumente consultadas:
• AISI/ASTM: AISI 52100 (referência cruzada comumente utilizada)
• EN: 100Cr6 (aço para rolamentos europeu semelhante em química e uso)
• GB: normas chinesas GB/T para aços para rolamentos (GCr15)
• JIS: SUJ2 conforme JIS G4805 (aço para rolamentos)
• Classificação do material: Ambos são aços para rolamentos de cromo de alto carbono (não inoxidáveis, não micro-ligados HSLA, não aços para ferramentas no sentido de ferramentas de corte).

2. Composição Química e Estratégia de Liga

• A tabela a seguir resume as faixas de composição típicas especificadas pelas normas nacionais. Os valores apresentados são faixas padrão típicas; os relatórios de teste de moinho certificados dos fornecedores devem ser verificados para a composição exata do lote.

Explicação da estratégia de liga: - Carbono (C ~1%): fornece alta temperabilidade e formação de martensita; fonte primária de dureza e resistência ao desgaste do rolamento após têmpera/revenido. - Cromo (Cr ~1,3–1,65%): aumenta a temperabilidade, contribui para o endurecimento secundário e resistência ao desgaste, e refina os carbonetos (melhor desempenho em fadiga de contato rolante). - Silício e manganês: desoxidantes e contribuintes menores para resistência/temperabilidade. - Baixo fósforo e enxofre: minimizam inclusões que reduzem a vida útil à fadiga e a integridade da superfície. - As classificações são intencionalmente baixas em conteúdo de liga além do Cr; elas são projetadas para obter as propriedades desejadas do rolamento por meio de tratamento térmico preciso, em vez de pesadas ligações.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas e respostas de processamento: - Na condição recozida: carboneto perlítico ou esferoidizado em uma matriz ferrítica (dependendo da receita de recozimento). A esferoidização melhora a usinabilidade para processamento pré-acabado. - Após a têmpera (austenitização e resfriamento): matriz predominantemente martensítica com carbonetos de cromo dispersos. O alto carbono e o cromo moderado produzem uma microestrutura martensítica com carbonetos finos adequados para resistência à fadiga de contato rolante. - Revenido: reduz a fragilidade, melhora a tenacidade e estabiliza a austenita retida. A dureza final e a tenacidade são controladas pela temperatura e tempo de revenido.

Efeitos das rotas de processamento comuns: - Normalização: refina o tamanho do grão, útil como pré-tratamento antes do tratamento térmico final para grandes forjados. - Têmpera e revenido: a rota primária para componentes de rolamentos. A austenitização é tipicamente na faixa apropriada para aços de 1,0% C–1,6% Cr (o fabricante e a norma especificam as temperaturas exatas), resfriamento em óleo ou sal comumente utilizado para evitar distorções excessivas. - Processamento termo-mecânico: forjamento e laminação controlados podem melhorar a morfologia e a direcionalidade das inclusões, o que aumenta a vida útil à fadiga; no entanto, a composição química não é alterada significativamente para essas classificações.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas dependem fortemente do estado de tratamento térmico. A tabela abaixo fornece faixas representativas de propriedades para condições recozidas e endurecidas/revenidas; utilize os dados de tratamento térmico certificados do fornecedor para o projeto.

Interpretação: - Resistência: Na condição de têmpera e revenido, ambas as classificações desenvolvem resistência à tração muito alta devido à matriz martensítica; a resistência é principalmente uma função do carbono e dos parâmetros de revenido, em vez de pequenas diferenças entre as duas classificações. - Tenacidade e ductilidade: Compensação em relação à dureza — temperaturas de revenido mais altas aumentam a tenacidade e a ductilidade, mas diminuem a dureza e a resistência ao desgaste. Aplicações de rolamentos visam um equilíbrio: alta dureza para desgaste e fadiga de contato rolante e tenacidade residual suficiente. - Entre GCr15 e SUJ2: nenhuma vantagem sistemática intrínseca em resistência ou tenacidade — as diferenças são impulsionadas pelas especificações exatas de tratamento térmico e controle de qualidade.

5. Soldabilidade

O alto carbono (~1,0%) mais o conteúdo de cromo conferem a esses aços baixa soldabilidade em relação aos aços de baixo carbono. Considerações relevantes: - Alto C e Cr moderado aumentam a temperabilidade e a propensão à formação de martensita na zona afetada pelo calor (HAZ), o que aumenta o risco de trincas a frio. - O uso de pré-aquecimento, temperatura de interpassagem controlada e tratamento térmico pós-solda (PWHT) é tipicamente necessário para montagens soldadas para evitar microestruturas HAZ frágeis. - Fórmulas comumente usadas para avaliar a soldabilidade qualitativamente: - O equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - O Pcm mais conservador para avaliar a suscetibilidade a trincas a frio: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretação: Ambas as classificações produzem equivalentes de carbono relativamente altos (impulsionados pelo conteúdo próximo a 1% C e Cr), portanto, são designadas como "difíceis de soldar" sem procedimentos especiais. Para a maioria das aplicações de rolamentos, a soldagem é evitada; usinagem e montagem mecânica são preferidas.

6. Corrosão e Proteção da Superfície

• Estes não são aços inoxidáveis. O cromo a ~1,3–1,65% proporciona apenas leve melhoria na resistência à corrosão em relação aos aços de carbono simples, mas não confere passividade.
• Estratégias de proteção padrão para ambientes de serviço:
• Revestimentos: galvanização a quente (onde a geometria permite), eletrodeposição ou revestimentos de conversão.
• Pinturas e revestimentos poliméricos para exposição atmosférica.
• Lubrificação e oleação para superfícies de rolamento para limitar a corrosão por contato.
• PREN (número equivalente de resistência à picada) é um índice de aço inoxidável e não é aplicável a GCr15 ou SUJ2 porque seu conteúdo de Cr está muito abaixo dos níveis inoxidáveis. Para referência, PREN é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ mas não é significativo para esses aços para rolamentos não inoxidáveis.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: Na condição recozida/esferoidizada, ambas as classificações usinam razoavelmente bem. Quando endurecidas, são difíceis de usinar e tipicamente retificadas ou superacabadas em vez de torneadas ou fresadas.
• Retificação e acabamento: A retificação de precisão e o lapidação são padrão para dimensões finais e acabamento de superfície em componentes de rolamentos. Rodas de retificação de carboneto e refrigerantes adequados são necessários para estados endurecidos.
• Formabilidade: Baixa ductilidade na condição endurecida; a conformação deve ser realizada na condição recozida.
• Distorção do tratamento térmico: alto carbono e endurecimento por resfriamento levam a um risco significativo de distorção; fixação cuidadosa, seleção de resfriamento (óleo, polímero) e ciclos de revenido são usados para minimizar a mudança dimensional.
• Tratamentos de superfície: endurecimento por indução é às vezes usado para endurecimento local de eixos, mantendo os mancais em condição desejada.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Ambas as classificações são escolhidas onde alta dureza, resistência ao desgaste e vida útil à fadiga de contato rolante são críticas. A escolha entre elas é tipicamente impulsionada pela norma de especificação requerida (GB vs JIS), qualificação do fornecedor e disponibilidade de estoque local, em vez de superioridade metalúrgica.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: Ambas as classificações são aços para rolamentos de mercadoria e geralmente têm custo moderado. As diferenças de preço são tipicamente impulsionadas pela oferta local, logística e custos de certificação, em vez de composição de matéria-prima.
• Disponibilidade:
• GCr15 é comumente estocado na China e em muitos mercados asiáticos; SUJ2 é comum no Japão e em mercados que obtêm material especificado pela JIS. Distribuidores internacionais frequentemente fornecem equivalentes (AISI 52100, EN 100Cr6) que atendem aos requisitos dos clientes.
• Formas de produto: barras, anéis, blanks forjados, fios e elementos de rolamento acabados. Os prazos de entrega e as tolerâncias disponíveis variam conforme o produtor.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumo (qualitativa)

Recomendações: - Escolha GCr15 se: sua cadeia de suprimentos e garantia de qualidade estiverem organizadas em torno das normas chinesas, você precisar de sourcing econômico em regiões onde GCr15 é comumente estocado, ou seus desenhos/certificações especificarem material GB/T. - Escolha SUJ2 se: sua aquisição ou clientes exigirem designações de material JIS, você estiver trabalhando dentro de uma cadeia de suprimentos orientada para normas japonesas, ou a documentação de qualificação/certificação existente especificar SUJ2.

Nota prática final: GCr15 e SUJ2 são metalurgicamente equivalentes para a maioria das aplicações de rolamentos. Os fatores críticos para o desempenho são o cronograma detalhado de tratamento térmico, controle de inclusões e morfologia de carbonetos, retificação/acabamento de precisão e proteção e lubrificação de superfície apropriadas. Sempre verifique os certificados do moinho, mapas de dureza e documentação de controle de processo para o lote que você compra, em vez de confiar apenas no nome nominal da classificação.