GCr18 vs GCr18Mo – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
GCr18 e GCr18Mo são aços de liga/rolamento de cromo de alto carbono amplamente utilizados para elementos de rolamento, eixos e peças resistentes ao desgaste. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente ponderam as compensações entre vida útil à fadiga, resistência ao desgaste, temperabilidade, soldabilidade e custo ao escolher entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem a seleção de um grau para rolamentos de seção profunda, o design de componentes que requerem endurecimento total versus endurecimento de superfície, ou a escolha de um material que pode ser produzido de forma confiável em grandes seções transversais.
A principal diferença metalúrgica é a adição deliberada de molibdênio ao GCr18Mo para aumentar a temperabilidade e melhorar a resistência ao desgaste e ao revenido em comparação com o GCr18 simples. Por causa disso, ambos os graus são comparados em design e fabricação onde o tamanho da seção, a resposta ao tratamento térmico e o desgaste em serviço são críticos.
1. Normas e Designações
- Equivalentes e normas nacionais e internacionais comuns:
- GB (China): GCr18, GCr18Mo (nomenclatura nacional chinesa para aços de liga/rolamento).
- EN (Europa): Estreitamente relacionado a 100Cr6 / 1.3505 (para GCr18); uma variante contendo Mo pode ser especificada sob graus modificados de 1.3505 ou designações EN específicas.
- AISI/SAE: 52100 / SAE 52100 é semelhante ao GCr15/100Cr6; GCr18 é frequentemente comparado a esses aços de rolamento em química e aplicação, mas a equivalência exata depende dos limites.
- JIS (Japão): Aços de rolamento semelhantes aparecem no JIS, mas o mapeamento direto de designação um a um requer verificação das tabelas de composição.
- Classificação:
- Tanto GCr18 quanto GCr18Mo são aços de liga de cromo de alto carbono tipicamente usados como aços de rolamento/ferramenta/desgaste, em vez de aços inoxidáveis ou aços estruturais HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela abaixo mostra intervalos típicos de elementos para formulações representativas de GCr18 e GCr18Mo. Os limites exatos variam de acordo com a norma, o produtor e a especificação de tratamento térmico; os usuários devem consultar o certificado do fabricante ou a norma aplicável para aquisição.
| Elemento | GCr18 Típico (wt.%) | GCr18Mo Típico (wt.%) |
|---|---|---|
| C | 0,95 – 1,05 | 0,95 – 1,05 |
| Mn | 0,20 – 0,40 | 0,20 – 0,40 |
| Si | 0,10 – 0,40 | 0,10 – 0,40 |
| P | ≤ 0,025 | ≤ 0,025 |
| S | ≤ 0,025 | ≤ 0,025 |
| Cr | 1,30 – 1,70 | 1,30 – 1,70 |
| Ni | ≤ 0,30 | ≤ 0,30 |
| Mo | ≤ 0,03 | 0,10 – 0,30 |
| V | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Nb/Ti/B/N | Níveis de código/traço | Níveis de código/traço |
Notas: - O carbono é alto para permitir alta dureza e resistência ao desgaste após a têmpera e o revenido. - O cromo fornece temperabilidade, resistência ao desgaste e formação de carbonetos. - O molibdênio no GCr18Mo é adicionado em pequenas quantidades para aumentar a temperabilidade e a resistência ao revenido; ele também refina a resposta ao revenido e reduz o risco de microestruturas de têmpera quebradiças em seções maiores. - Elementos menores (V, Nb, Ti) estão tipicamente presentes apenas em quantidades traço ou como microligação deliberada, dependendo da prática do fornecedor.
Como a liga afeta as propriedades: - C e Cr controlam a dureza e a estrutura de carbonetos alcançáveis—C mais alto aumenta a dureza, mas reduz a soldabilidade. - Cr no nível de 1,3–1,7% contribui para o endurecimento secundário e resistência ao desgaste, mas não torna o aço inoxidável. - Mo aumenta a temperabilidade, eleva a resistência ao revenido (mantém a dureza em temperaturas de revenido mais altas) e pode melhorar a vida útil à fadiga de contato de rolamento. - Mn e Si são desoxidantes e contribuem modestamente para a temperabilidade e resistência.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas e o efeito do processamento:
- Como-rolado/normatizado:
-
Ambos os graus apresentam uma matriz de carbonetos perlíticos ou esferoidais, dependendo da prática de recozimento. Ciclos de normalização/refino produzem uma perlita fina e carbonetos retidos adequados para tratamento subsequente de têmpera e revenido.
-
Têmpera e revenido:
- Dureza típica: austenitizar (por exemplo, 780–840°C, dependendo da seção e especificação) e, em seguida, óleo/têmpera ou ar/têmpera para geometrias específicas. O revenido subsequente produz martensita revenida com carbonetos de cromo dispersos.
- GCr18: alcança alta dureza e distribuição fina de carbonetos em seções menores; em seções maiores, é mais propenso à transformação incompleta (núcleo macio) e maior risco de trincas de têmpera se não for cuidadosamente controlado.
-
GCr18Mo: Mo aumenta a temperabilidade, promovendo uma estrutura martensítica mais totalmente endurecida em seções transversais maiores. Mo também altera a resistência ao revenido, de modo que a dureza revenida é melhor retida em temperaturas de revenido mais altas.
-
Processamento termo-mecânico:
- Processamento controlado termo-mecânico e laminação a quente afetam o tamanho dos grãos de austenita anteriores. Grãos de austenita mais finos melhoram a tenacidade e reduzem as temperaturas de austenitização necessárias; Mo ajuda a preservar a tenacidade em seções mais grossas, melhorando a temperabilidade.
Em resumo, o controle microestrutural para ambos os graus centra-se em alcançar uma matriz martensítica com carbonetos de cromo dispersos; GCr18Mo é mais tolerante para seções maiores e temperaturas de revenido mais altas.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem fortemente do tratamento térmico exato. A tabela abaixo fornece intervalos típicos pós-têmpera e revenido usados para aplicações de rolamento/desgaste; trate esses como valores representativos em vez de garantidos.
| Propriedade | GCr18 Típico (têmpera & revenido) | GCr18Mo Típico (têmpera & revenido) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 900 – 1800 (dependente do tratamento térmico) | 900 – 1900 (maior em seções totalmente endurecidas) |
| Resistência ao escoamento (MPa) | 600 – 1600 | 600 – 1650 |
| Alongamento (%) | 4 – 12 (menor em durezas mais altas) | 4 – 12 |
| Tenacidade ao impacto (J, Charpy) | Menor em durezas muito altas; melhora com o revenido | Geralmente semelhante ou ligeiramente melhor em seções maiores devido ao melhor endurecimento total |
| Dureza (HRC) | 58 – 66 (faixa de dureza para rolamentos) | 58 – 66 (melhor retida após o revenido em graus de Mo) |
Interpretação: - A dureza máxima e a resistência à tração são controladas principalmente pelo carbono e pelo tratamento térmico. Ambos os graus atingem dureza máxima semelhante em componentes pequenos. - GCr18Mo oferece melhor temperabilidade, então em peças maiores pode alcançar maior dureza e resistência do núcleo em comparação com o GCr18 simples processado de forma idêntica. - Diferenças de tenacidade dependem da aplicação e do tratamento; Mo pode melhorar a tenacidade em seções mais pesadas, permitindo uma resposta martensítica mais uniforme e estabilidade da microestrutura durante o revenido.
5. Soldabilidade
A soldabilidade para aços de alto carbono e alta dureza requer controle cuidadoso devido ao alto equivalente de carbono e à tendência de formar martensita dura e quebradiça na zona afetada pelo calor (HAZ).
Índices de soldabilidade comuns usados qualitativamente: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Tanto GCr18 quanto GCr18Mo têm alto carbono; seus valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ serão altos o suficiente para justificar pré-aquecimento, controle da temperatura entre passes e tratamento térmico pós-solda para aplicações críticas. - A presença de Mo aumenta $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ ligeiramente; em outras palavras, GCr18Mo é marginalmente mais propenso ao endurecimento da HAZ e ao risco de trincas do que GCr18 quando soldado sem precauções. - Para pequenos reparos ou juntas não críticas, use metais de enchimento compatíveis, pré-aqueça para reduzir a taxa de resfriamento e realize PWHT (tratamento térmico pós-solda) para revenido da martensita na HAZ. - Onde a soldagem deve ser minimizada ou eliminada, a união mecânica ou a usinagem para ajustes de montagem é preferida.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, GCr18 ou GCr18Mo, é aço inoxidável; seu teor de cromo é insuficiente para fornecer passivação em ambientes aquosos.
- Estratégias típicas de proteção de superfície:
- Revestimentos protetores: pintura, galvanização (zinco, níquel) ou revestimentos de fosfato.
- A galvanização é uma opção para certos componentes formados ou estruturais, embora o tratamento térmico após a galvanização não seja típico.
- Lubrificação e design para drenagem são comuns para contatos de rolamento para reduzir o desgaste assistido por corrosão.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses aços de rolamento não inoxidáveis porque PREN é usado para avaliar a resistência à corrosão inoxidável: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Use ligas resistentes à corrosão (aços de rolamento inoxidáveis) quando o serviço exigir resistência à corrosão e desempenho de desgaste/fadiga.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- Alta capacidade de carbono e alta dureza significam que ambos os graus são mais difíceis de usinar no estado endurecido. Condições de recozimento ou esferoidização são usadas para usinagem para melhorar a vida útil da ferramenta.
- GCr18Mo na condição temperada/endurecida pode ser marginalmente mais difícil devido aos efeitos de endurecimento do Mo, mas as diferenças são menores para condições de pré-usinagem.
- Formação a frio e dobra:
- Não favorável na condição endurecida; a formação é feita no estado recozido mais macio.
- O alto teor de carbono limita a conformação profunda ou extensa sem trincas.
- Desbaste e acabamento:
- Ambos respondem bem ao desbaste de precisão após a têmpera. A distribuição de carbonetos e a austenita retida podem influenciar o comportamento de desbaste e a estabilidade dimensional final.
- Considerações sobre tratamento térmico:
- Recozimento esferoidizante para usinagem: reduz as forças de corte e previne lascas nas bordas.
- Meios de têmpera controlados, cronogramas de revenido e alívio de tensões são críticos para minimizar a distorção.
8. Aplicações Típicas
| GCr18 (usos típicos) | GCr18Mo (usos típicos) |
|---|---|
| Rolamentos e esferas de precisão (tamanhos pequenos a moderados) | Rolamentos e eixos onde seções transversais maiores requerem endurecimento total |
| Anéis de rolamento, rolos e trilhos usados em máquinas de precisão | Rolos de seção pesada, grandes anéis de rolamento e componentes sujeitos a fadiga de contato de rolamento pesada |
| Partes de desgaste em componentes de tamanho baixo a moderado onde o custo é importante | Componentes de desgaste e eixos onde a resistência ao revenido e a temperabilidade melhoradas prolongam a vida útil |
| Componentes de ferramentas que requerem alta dureza superficial (em peças pequenas) | Componentes que operam em temperaturas elevadas ou requerem melhor retenção de dureza após o revenido |
Racional de seleção: - Escolha GCr18 para rolamentos e peças de desgaste de seções pequenas a moderadas onde o tratamento térmico convencional atinge a dureza e a vida útil à fadiga necessárias de forma econômica. - Escolha GCr18Mo quando o tamanho da seção, as cargas operacionais esperadas ou temperaturas de revenido mais altas significarem que um endurecimento total melhorado, maior dureza retida após o revenido ou ligeiramente melhor vida útil à fadiga de contato de rolamento é necessário.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo:
- GCr18 é tipicamente menos caro que GCr18Mo devido à ausência de molibdênio, um elemento de liga de custo mais alto.
- O custo incremental de GCr18Mo é justificado onde a temperabilidade, a redução de sucata ou os ganhos de desempenho proporcionam economia de ciclo de vida.
- Disponibilidade:
- Ambos os graus estão comumente disponíveis em formas de produtos de aço para rolamentos (barras, anéis, chapas e blanks forjados) através de fornecedores de aço especializados.
- Os prazos de entrega podem ser ligeiramente mais longos para variantes de Mo com tolerância apertada ou para tratamentos térmicos específicos; especifique certificados de fábrica e tratamentos térmicos ao fazer pedidos.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | GCr18 | GCr18Mo |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Pobre a limitada (requer pré-aquecimento/PWHT) | Levemente pior (maior temperabilidade) |
| Equilíbrio Força–Tenacidade | Dureza alta alcançável; tenacidade depende da seção/HT | Semelhante ou melhorada em seções pesadas devido ao melhor endurecimento total |
| Custo | Mais baixo | Mais alto (devido ao Mo) |
Recomendação: - Escolha GCr18 se você precisar de um aço de rolamento/desgaste econômico para seções transversais pequenas a moderadas onde tratamentos de têmpera e revenido padrão atingem a dureza e a vida útil à fadiga necessárias. - Escolha GCr18Mo se seus componentes forem maiores em seção, requererem endurecimento mais uniforme através da seção transversal, necessitarem de melhor resistência ao revenido ou se beneficiarem de melhorias modestas na resistência ao desgaste e na vida útil à fadiga de contato de rolamento que o molibdênio proporciona.
Notas práticas finais: - Sempre especifique limites químicos exatos, cronogramas de tratamento térmico e testes de aceitação (dureza, microestrutura, testes não destrutivos) nos pedidos de compra. - Para montagens soldadas ou componentes críticos de fadiga, envolva engenheiros de processos metalúrgicos desde o início para definir pré-aquecimento, temperaturas entre passes e PWHT necessários para evitar fragilidade da HAZ e falhas de serviço.