Carburizing and Quenching of Gears: Controlling Case Depth Uniformity and Distortion

Cómo el endurecimiento superficial prolonga la vida a la fatiga de los engranajes

El carburizing más el temple sigue siendo el método dominante de endurecimiento superficial para engranajes de transmisión. Produce una capa exterior dura sostenida por un núcleo dúctil. Las aleaciones de bajo contenido de carbono, siendo el 20CrMnTi un ejemplo típico, se someten a carburizing entre 920°C y 950°C, seguido de temple y un revenido a baja temperatura. Los flancos de los dientes alcanzan entonces HRC 58–62 mientras que el núcleo se sitúa en HRC 30–42. La vida a la fatiga mejora en un factor de 3–5. El grado de precisión que un engranaje puede alcanzar finalmente depende de cuán estrictamente se confine la distorsión del tratamiento térmico a 0.05–0.15 mm.

Fundamentos del proceso y elección del medio

Mecanismo del carburizing y el temple

Una atmósfera rica en carbono suministra átomos de carbono que se difunden en la superficie del acero de bajo carbono que contiene 0.10%–0.25%C. El temple y el revenido posteriores producen una estructura graduada: una capa de martensita de alto carbono sobre un núcleo de martensita revenida de bajo carbono.

Tres medios de carburizing comparados

• Carburizing gaseoso: propano más gas portador
  • Ventana de temperatura: 920–950°C
  • Velocidad de penetración de carbono (mm/h): 0.15–0.35
  • Uso típico: producción por lotes, servicios de carburizing de engranajes
• Carburizing al vacío: acetileno
  • Ventana de temperatura: 950–1050°C
  • Velocidad de penetración de carbono (mm/h): 0.25–0.50
  • Uso típico: engranajes de alta precisión, anillos internos
• Carburizing en baño de sal: sales de cianuro
  • Ventana de temperatura: 900–930°C
  • Velocidad de penetración de carbono (mm/h): 0.20–0.40
  • Uso típico: engranajes de módulo pequeño

La oxidación intergranular se elimina por completo con el carburizing al vacío, y la distorsión se mantiene mínima. Para engranajes de transmisión de precisión, esta es la razón por la que el método ahora se prefiere.

Profundidad efectiva de la capa cementada: valores recomendados y verificación

La ECD es la distancia perpendicular desde la superficie hasta el punto donde la dureza cae a 550 HV.

Fuentes de distorsión

Cuánto se mueve un engranaje durante el temple está gobernado por varios factores:

• Tratamiento térmico previo: la normalización combinada con revenido a alta temperatura reduce las tensiones de mecanizado y disminuye la distorsión por temple en un 30%–50%.
• Temperatura de temple: los mejores resultados se obtienen a 30–50°C por encima de Ac3; superar esto aumenta el riesgo de distorsión.
• Medio de temple: el aceite caliente mantenido a 80–120°C produce un 40%–60% menos de distorsión que el aceite frío.
• Carga del horno: coloque los engranajes verticalmente o cuélguelos en dispositivos dedicados; no los apile.

Defectos, causas raíz y remedios

• Defecto — Dureza insuficiente: superficie del diente por debajo de HRC 55
  • Causa raíz: baja concentración de carburizing o un temple débil
  • Remedio: aumentar el potencial de carbono a 0.8%–1.0%C; verificar la temperatura del aceite
• Defecto — Distorsión excesiva: desviación de plomo superior a 0.15 mm
  • Causa raíz: tensión de temple desigual, margen de rectificado insuficiente
  • Remedio: introducir recocido para alivio de tensiones; optimizar el diseño de la pieza en bruto del engranaje
• Defecto — Descarburación superficial: capa de ferrita en la superficie
  • Causa raíz: potencial de carbono del horno insuficiente o un sellado deficiente
  • Remedio: regular la presión del horno y calibrar las sondas de oxígeno regularmente
• Defecto — Oxidación intergranular: red negra a lo largo de los límites de grano
  • Causa raíz: impurezas de O₂/H₂O en la atmósfera del horno
  • Remedio: usar gas portador de alta pureza; adoptar carburizing al vacío

Notas desde el taller

Consejo 1: Un trabajo reciente en un engranaje cónico helicoidal m=5 según DIN 6 requirió carburizing al vacío con martemplado. Después de tres rondas de ajuste del proceso, la distorsión se mantuvo dentro de 0.08 mm y el rendimiento de inspección en la primera pasada alcanzó el 92%.

Consejo 2: Agregar un recocido para alivio de tensiones a 650°C × 2h antes del carburizing redujo la aparición de grietas de rectificado del 5% a menos del 0.3%. El costo extra ascendió a aproximadamente $1.2 por pieza.

Consejo 3: Para la frecuencia de inspección, procese no menos de 3 cupones por carga de horno para metalografía, perfilado de gradiente de dureza y análisis de fractura. Cuando se mecanizan engranajes de módulo grande, verifique la dureza del flanco del diente en cada diente de cada engranaje.

Referencias

1. ISO 2639:2002 — Aceros — Determinación y verificación de la profundidad efectiva de las capas cementadas y endurecidas
2. AGMA 2001-D04 — Endurecimiento y tratamiento térmico de engranajes
3. Documentación interna de PinyiGear — volumen de tratamiento térmico
4. Explore capacidades de fabricación de precisión de engranajes y soluciones de engranajes personalizados

Nota de aprendizaje diaria · PinyiGear · 2026-07-10