GCr15 vs SUJ2 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
GCr15 e SUJ2 são dois aços para rolamentos de alto carbono e cromo amplamente utilizados, especificados sob diferentes normas nacionais. Engenheiros e gerentes de compras frequentemente enfrentam a escolha entre eles ao especificar rolamentos de elementos rolantes, eixos ou componentes de desgaste onde alta resistência à fadiga de contato e estabilidade dimensional são necessárias. As trocas típicas de seleção incluem custo e disponibilidade local versus rastreabilidade da especificação e pequenas diferenças nas faixas químicas ou histórico de processamento que podem afetar a limpeza, tolerância à descarbonização e tratamento térmico recomendado.
A principal diferença prática é que GCr15 e SUJ2 são nominalmente equivalentes em normas chinesas e japonesas, respectivamente, mas suas composições padrão, tolerâncias permitidas e práticas típicas de produção/controle de qualidade diferem o suficiente para que não sejam estritamente intercambiáveis sem verificação. É por isso que os projetistas os comparam: eles oferecem desempenho comparável para rolamentos, mas podem variar nos limites de enxofre/fósforo, janelas de cromo e silício, e na forma como os fornecedores controlam a micro limpeza e o tratamento térmico.
1. Normas e Designações
- GCr15: norma chinesa GB/T (comumente GB/T 18254 para designações de aço para rolamentos). Equivalente na prática ao AISI/SAE 52100 em muitas aplicações, mas especificado dentro da estrutura GB.
- SUJ2: norma japonesa JIS G4805 (SUJ2 é a designação JIS para aço para rolamentos de alto carbono e cromo). Também considerado um equivalente ao AISI/SAE 52100.
- AISI/SAE 52100: frequentemente citado em cadeias de suprimento internacionais como a designação americana para a mesma classe funcional de material.
Classificação do material: tanto GCr15 quanto SUJ2 são aços para rolamentos de alto carbono e liga de cromo — tecnicamente aços de liga de alto carbono otimizados para aplicações de rolamentos (não inoxidáveis, não HSLA, não aço para ferramentas no sentido convencional).
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: Faixas típicas de composição padrão (wt%). Nota: as faixas são aquelas comumente especificadas em normas nacionais; os limites exatos variam por revisão e especificação de compras. Consulte a norma atual ou o certificado do fornecedor para a química do chão de fábrica.
| Elemento | GCr15 (faixa típica GB) | SUJ2 (faixa típica JIS) |
|---|---|---|
| C | 0,95 – 1,05 | 0,95 – 1,03 |
| Mn | 0,25 – 0,45 | 0,25 – 0,45 |
| Si | 0,17 – 0,37 | 0,15 – 0,35 |
| P | ≤ 0,035 (máx) | ≤ 0,035 (máx) |
| S | ≤ 0,035 (máx) | ≤ 0,035 (máx) |
| Cr | 1,40 – 1,65 | 1,30 – 1,60 |
| Ni | ≤ 0,30 (traço) | ≤ 0,30 (traço) |
| Mo | ≤ 0,10 (traço) | ≤ 0,10 (traço) |
| V, Nb, Ti, B, N | tipicamente ≤ traço (não especificado como liga) | tipicamente ≤ traço (não especificado como liga) |
Como a liga afeta as propriedades - Carbono (C): Elemento primário de endurecimento e formação de carbonetos; alto C permite alta dureza endurecida e resistência à fadiga de contato, mas reduz a soldabilidade e a conformabilidade a frio. - Cromo (Cr): Promove a endurecibilidade e forma carbonetos de cromo para resistência ao desgaste e desempenho em fadiga de contato rolante. - Manganês e Silício (Mn, Si): Desoxidação e resistência; contribuem modestamente para a endurecibilidade. - S e P: Impurezas — níveis mais altos podem melhorar a usinabilidade, mas reduzem a resistência à fadiga e à fratura. As normas limitam S e P para aços para rolamentos para proteger a vida útil à fadiga.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Na condição recozida: carbonetos perlíticos ou esferoidizados em uma matriz ferrítica para permitir usinagem/conformação. - Após têmpera e revenimento (tratamento térmico de rolamentos): martensita revenida com carbonetos de cromo dispersos; o tamanho exato dos carbonetos, a distribuição e o conteúdo de austenita retida na matriz dependem fortemente das taxas de aquecimento, severidade da têmpera e temperatura de revenimento.
Rotas de processamento e efeitos: - Normalização: refina o tamanho do grão de austenita anterior; útil antes da têmpera final para melhorar marginalmente a tenacidade. - Têmpera e revenimento: rota padrão para fornecer alta dureza e vida útil à fadiga de contato rolante. Tratamentos típicos: austenitização na faixa apropriada para a composição (controle cuidadoso para evitar crescimento excessivo do grão) seguido por têmperas em óleo ou polímero para obter estrutura martensítica, depois revenimento para equilibrar dureza/tenacidade alvo. - Endurecimento por indução ou endurecimento de superfície: para componentes que necessitam de uma superfície dura e núcleo resistente, mas note que GCr15/SUJ2 são graus de endurecimento total por química; o endurecimento por indução é comumente usado para dureza superficial localizada. - Tratamentos termo-mecânicos: grão fino e distribuição controlada de carbonetos podem ser alcançados com laminação controlada moderna e resfriamento acelerado; diferenças na prática de usinagem entre fornecedores podem influenciar a micro limpeza e a morfologia de inclusões.
As diferenças entre GCr15 e SUJ2 na resposta da microestrutura são sutis e surgem principalmente de pequenas diferenças na janela de composição e na prática de tratamento térmico do fornecedor, em vez de sistemas de liga fundamentalmente diferentes.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: Propriedades típicas (faixas representativas após tratamentos térmicos típicos). Os valores são indicativos; as propriedades reais dependem da química exata, ciclo térmico, geometria da peça e têmpera/revenimento.
| Propriedade | GCr15 (típico, temperado e revenido / endurecido total) | SUJ2 (típico, temperado e revenido / endurecido total) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~1200 – 2100 | ~1200 – 2100 |
| Resistência ao escoamento (MPa) | Nem sempre especificada na condição endurecida; tipicamente alta e dependente da condição do material | Semelhante ao GCr15 |
| Alongamento (A%) | ~4 – 18 (dependendo da dureza e revenimento) | ~4 – 18 (dependendo da dureza e revenimento) |
| Tenacidade ao impacto (Charpy) | Baixa a moderada quando endurecida; melhora com o revenimento | Comparável ao GCr15; o processamento do fornecedor afeta o resultado |
| Dureza (HRC) | Faixa comum de dureza para rolamentos 58 – 65 HRC (superfície/endurecido) | Faixa comum de dureza para rolamentos 58 – 65 HRC |
Interpretação - Resistência e dureza: Ambos os graus são projetados para alcançar alta dureza e resistência à fadiga de contato quando tratados termicamente de forma adequada; as faixas nominais de tração/dureza são semelhantes. - Tenacidade/ductilidade: Ambos exibem tenacidade reduzida em alta dureza; o revenimento para uma HRC mais baixa melhorará a tenacidade à custa de alguma resistência à fadiga de contato. - Quaisquer pequenas diferenças observadas nas propriedades mecânicas entre GCr15 e SUJ2 geralmente decorrem de diferenças no conteúdo exato de carbono ou cromo, limpeza de inclusões e prática de tratamento térmico do fornecedor, em vez de diferenças radicais na química da liga.
5. Soldabilidade
O alto teor de carbono e liga torna ambos os graus desafiadores para soldar no estado de têmpera. Considerações-chave de soldabilidade: - Nível de carbono: alto C aumenta o risco de martensita dura e quebradiça na zona afetada pelo calor (HAZ) após a soldagem, aumentando a suscetibilidade a trincas a frio. - Endurecibilidade: Cr e Mn aumentam a endurecibilidade; quanto maior o efeito combinado, maior a necessidade de pré-aquecimento e tratamento térmico pós-soldagem.
Fórmulas úteis da indústria para avaliação qualitativa: - Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (propensão a trincas na solda): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Tanto GCr15 quanto SUJ2 mostrarão $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ relativamente altos devido ao seu carbono e cromo, indicando soldabilidade limitada sem controles. - Melhor prática: soldar na condição recozida sempre que possível, usar pré-aquecimento para evitar resfriamento rápido para martensita, limitar a entrada de calor para controlar a largura da HAZ e aplicar PWHT (tratamento térmico pós-soldagem) quando viável. Para superfícies de rolamento críticas, prefira união mecânica ou substitua o design soldado por união alternativa ou usinagem.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, GCr15 ou SUJ2, é inoxidável. O teor de cromita (~1,3–1,6%) é insuficiente para proporcionar comportamento inoxidável.
- Métodos de proteção padrão: pintura, lubrificação, revestimentos preventivos de ferrugem e galvanização para peças onde resistência à corrosão é necessária. Note que a galvanização e alguns revestimentos podem afetar as tolerâncias dimensionais e os tratamentos de superfície; moagem ou lapidação pós-revestimento podem ser necessárias para superfícies de rolamento de precisão.
- PREN não é aplicável: a fórmula PREN $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ é relevante apenas para aços inoxidáveis e não é significativa para aços para rolamentos de alto carbono como GCr15 ou SUJ2.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Usinabilidade: Melhor em condições recozidas/esferoidizadas; ambos podem ser usinados facilmente quando recozidos. Condições endurecidas requerem moagem, afiação ou usinagem abrasiva; a usinagem convencional de superfícies endurecidas é limitada.
- Conformabilidade: Baixa ductilidade no estado endurecido; operações de conformação devem ser feitas antes da endurecimento final. A conformação a frio de material recozido é possível, mas considere o retorno elástico e as dimensões finais necessárias.
- Acabamento de superfície: Aplicações de rolamentos frequentemente requerem moagem, superacabamento ou lapidação para alcançar a rugosidade e geometria de superfície requeridas — ambos os graus respondem de forma semelhante se a microestrutura e o tamanho das inclusões forem comparáveis.
- Diferenças entre fornecedores em limpeza e morfologia de inclusões podem impactar a eficiência de polimento/afiação e o desempenho de amaciamento.
8. Aplicações Típicas
| Usos de GCr15 | Usos de SUJ2 |
|---|---|
| Rolamentos (vários tipos) fabricados na China e mercados regionais | Rolamentos fabricados no Japão e mercados de exportação conforme especificação JIS |
| Anéis de rolamento, esferas, roletes, eixos para máquinas-ferramentas, automotivo e equipamentos industriais | Anéis de rolamento, esferas, roletes, eixos e componentes de precisão onde a rastreabilidade JIS é necessária |
| Componentes de precisão que requerem alta vida útil à fadiga de contato onde o fornecimento local de GCr15 é econômico | Componentes de precisão que requerem certificação JIS, ciclos de tratamento térmico documentados, ou quando os clientes especificam SUJ2 explicitamente |
Racional de seleção - Escolha com base na especificação exigida pelo cliente ou projeto internacional: se desenhos ou documentos de compras mencionam SUJ2 ou GCr15 especificamente, adira à norma designada. - Para desgaste e vida útil de contato rolante, ambos apresentam desempenho semelhante se a química e o tratamento térmico forem equivalentes. Para componentes críticos ou de alto valor, solicite certificados de usina, análise de inclusões e registros de tratamento térmico.
9. Custo e Disponibilidade
- Disponibilidade: GCr15 é amplamente produzido na China e facilmente disponível em mercados domésticos e regionais. SUJ2 é produzido sob controle JIS e é comum em cadeias de suprimento japonesas e algumas internacionais. AISI/SAE 52100 é comumente disponível na América do Norte e globalmente.
- Custo: O custo relativo depende da produção regional e das economias de escala. GCr15 pode ser mais competitivo em mercados com forte produção chinesa; SUJ2 pode ter um preço premium onde a rastreabilidade JIS, tratamento térmico específico ou documentação é necessária.
- Formas de produto: Ambos estão disponíveis como barras, anéis, blanks forjados e peças acabadas. Os prazos de entrega e as quantidades mínimas de pedido podem variar por fornecedor e forma.
10. Resumo e Recomendação
Tabela: Comparação rápida (qualitativa)
| Critério | GCr15 | SUJ2 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Pobre (alto C) | Pobre (alto C) |
| Resistência–Tenacidade (endurecido) | Alta resistência, menor tenacidade em alta HRC | Comparável ao GCr15 |
| Custo (regional típico) | Frequentemente mais baixo na China/mercados regionais | Frequentemente mais alto onde a certificação JIS é necessária |
| Disponibilidade (regional) | Excelente na China | Excelente no Japão / cadeias de suprimento JIS |
Conclusão e recomendação prática - Escolha GCr15 se você estiver adquirindo componentes na China ou regiões próximas e a relação custo-benefício for uma prioridade, desde que o comprador aceite a documentação da norma GB. GCr15 é apropriado quando o design exige um aço para rolamentos de alto carbono e cromo e o fornecimento local, preço e prazo são fatores importantes. - Escolha SUJ2 se a especificação exigir designação de material JIS, rastreabilidade mais rigorosa do fornecedor, ou se o usuário final exigir explicitamente SUJ2. SUJ2 pode ser preferível quando o sistema de compras ou qualidade exigir certificados JIS, ou quando o histórico de fornecimento anterior usar SUJ2 e a intercambialidade deve ser evitada.
Nota final: Para componentes críticos de rolamento, sempre especifique a faixa de dureza necessária, o procedimento de tratamento térmico, o acabamento de superfície, os limites de descarbonização e os certificados de usina/tratamento térmico necessários. Embora GCr15 e SUJ2 sejam funcionalmente equivalentes em muitas aplicações de rolamentos, a intercambialidade deve ser validada por meio de certificados de análise e testes mecânicos representativos ou qualificação do fornecedor.