Materiales para engranajes y tratamiento térmico: selección de materiales y práctica de cementación

Cubre grados de materiales para engranajes como 20CrMnTi y 42CrMo, rangos de dureza y la ruta del proceso de cementación desde la forja hasta el mecanizado final.

Publicado: 2026-07-07 | Categoría: Materiales para engranajes y tratamiento térmico | Parte: 2

1. Correspondencia de los grados de material con las condiciones de operación

La selección de un material para engranajes comienza por alinear el grado con la carga aplicada, la velocidad de rotación y el ciclo de servicio. Las categorías siguientes cubren los grados que PinyiGear maneja con mayor frecuencia.

Categoría de material	Grados	Aplicaciones típicas	Dureza
Acero al carbono de calidad	45#, 50#	Velocidad baja a media, cargas ligeras	Q&T 220-280 HB
Acero aleado Q&T	40Cr, 42CrMo, 35CrMo	Carga media, velocidad media	Q&T 250-320 HB
Acero aleado de cementación	20CrMnTi, 20CrNi2Mo, 20CrMo	Alta velocidad, servicio pesado (el más utilizado)	Cementado 58-62 HRC
Acero de nitruración	38CrMoAl, 40Cr (nitrurado)	Engranajes de precisión resistentes al desgaste	Nitrurado 850-1100 HV
Acero fundido	ZG310-570, ZG40Cr	Engranajes grandes	Normalizado/Q&T
No metálico	Nylon MC, POM	Bajo ruido, cargas ligeras	—

2. Cementación y temple: la ruta principal para engranajes de servicio pesado

Más del 80% de los engranajes de servicio pesado actualmente en operación han sido cementados. Una cadena de proceso representativa es:

Corte de material → Forja → Normalizado → Torneado en desbaste → Torneado de semiacabado →
Fresado de engranajes → Cementación → Temple + Revenido a baja temperatura → Granallado → [Rectificado](/es/products/) final

Determinación de la profundidad de capa

Se aplican comúnmente tres reglas de estimación inicial:

Estimación basada en el módulo: δ ≈ (0,15~0,25) × m (donde m es el módulo)
Criterio de tensión en la raíz del diente: Profundidad de capa ≥ 1,2 × la profundidad de la sección crítica de fatiga por flexión
Valores de referencia estándar:

Notas	Módulo m (mm)	Profundidad efectiva de capa recomendada (mm)
Módulo pequeño; demasiado superficial riesgo de aplastamiento	2-3	0,4-0,8
Rango más común para engranajes medianos	4-6	0,8-1,3
Servicio pesado requiere control estricto del gradiente	6-10	1,2-1,8
Módulo grande, tiempo de cementación 20h+	10-16	1,5-2,5
Engranajes extragrandes, cementación de capa profunda	>16	2,0-3,5

Consecuencias de una profundidad de capa incorrecta

Desprendimiento por fatiga de contacto en la superficie del diente: el tiempo de cementación prolongado duplica el costo
Resistencia insuficiente a la flexión en la raíz del diente: aumento de austenita retenida
Dureza del núcleo inadecuada para el soporte: carburos superficiales gruesos, mayor fragilidad
Falla a corto plazo: granos gruesos, tenacidad al impacto reducida

Dureza del núcleo

El núcleo debe respaldar la capa endurecida, por lo que su dureza merece tanta atención como la superficie.

Rango recomendado: 30-45 HRC (el piñón en el extremo superior, la rueda en el extremo inferior)
Por debajo de 25 HRC: alto riesgo de fractura por fatiga en la raíz del diente
Por encima de 48 HRC: tenacidad insuficiente, rotura del diente por impacto
Métodos de control: ajustar la temperatura de temple, la velocidad de enfriamiento y seleccionar material con templabilidad adecuada

3. Observaciones en el taller de producción

Por qué el 20CrMnTi se usa tan ampliamente

Más del 60% de la producción de la industria de engranajes de China depende del 20CrMnTi, por razones claras. El titanio refina la estructura del grano y limita el crecimiento del grano durante la cementación, lo que permite el temple directo después del enfriamiento y elimina un segundo ciclo de calentamiento. Su templabilidad moderada hace que una dureza del núcleo de 30-42 HRC sea sencilla de lograr, y tanto el costo como el suministro están bien establecidos.

Una advertencia: el 20CrMnTi tiende a favorecer la cementación a alta temperatura, por lo que el potencial de carbono debe mantenerse en ≤1,1% para controlar la formación de carburos.

El mito de que “más profundo es más seguro”

Llevar la profundidad de capa a su límite superior, o más allá, es un hábito frecuente y costoso. Una capa excesiva degrada la distribución de tensiones compresivas superficiales, lo que puede reducir la vida a la fatiga. Cada 1 mm adicional de profundidad de cementación requiere aproximadamente 6-8 h a 930°C, y el costo aumenta abruptamente. El método correcto es determinar la profundidad de capa segura mínima a partir de la simulación del campo de tensiones en la raíz del diente y dejar solo 0,1-0,2 mm de margen.

Granallado

El granallado después de la cementación y el temple es esencial. Genera 300-800 MPa de tensión compresiva residual en la superficie de la raíz del diente y puede aumentar la vida a la fatiga por flexión de 2 a 5 veces. Los parámetros críticos son la intensidad Almen 0,3-0,5A y la cobertura ≥100%; los engranajes de módulo grande requieren medios de granallado de mayor diámetro (S170-S230).

Control del potencial de carbono en tres etapas

La cementación en horno de usos múltiples en PinyiGear generalmente utiliza un perfil de potencial de carbono en tres etapas:

Etapa de impulso (potencial de carbono 1,0~1,2%C): absorción rápida de carbono, controlando la profundidad de la capa
Etapa de difusión (potencial de carbono 0,8~1,0%C): el carbono se difunde hacia el interior, la concentración superficial disminuye
Etapa de enfriamiento: reducir a la temperatura de temple, mantener atmósfera protectora

4. Reflexiones finales

La selección del material y la profundidad de capa constituyen la base de la calidad del engranaje; los errores aquí anulan cada operación posterior de rectificado de precisión. Según datos de la industria, más del 80% de las fallas prematuras de engranajes se pueden rastrear hasta problemas de tratamiento térmico: profundidad de capa inadecuada o distorsión excesiva.

Para PinyiGear, mantener una tabla estandarizada de selección de profundidad de capa (como la tabla de módulo-profundidad de capa anterior) e integrarla en el sistema de cotización y producción elimina un esfuerzo considerable de prueba y error.

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