Selección de acero para engranajes y optimización del tratamiento térmico — Manual de ingeniería

Selección de acero para engranajes y ajuste del tratamiento térmico — Manual de ingeniería

Punto clave: Aproximadamente siete décimas partes del comportamiento en servicio de un engranaje se remontan a cómo se combinan el grado de acero y el ciclo térmico. El trabajo de propósito general está cubierto por dos grados en la mayoría de los talleres: 20CrMnTi, un acero de cementación elegido cuando dominan las cargas de choque, y 40Cr, un acero de temple y revenido elegido cuando importan más las velocidades medias o bajas y un funcionamiento suave. Combine los dos adecuadamente y la pieza puede permanecer en servicio 3-5× más tiempo.

1. Comparación de las rutas de tratamiento térmico

1.1 Cementación más temple (la ruta principal)

Normalizado → Mecanizado en bruto → Cementación (920–950°C) → Temple (820–860°C) → Revenido a baja temperatura (180–200°C) → Mecanizado de acabado

1.2 Temple y revenido (Q&T)

Mecanizado en bruto → Q&T (temple + revenido a alta temperatura) → Mecanizado de acabado → (opcional temple por inducción de la superficie del diente)

• El proceso es sencillo, el movimiento durante el tratamiento se mantiene pequeño y el costo es moderado
• Dureza objetivo: HB 240-320

1.3 Nitruración

Q&T → Mecanizado de acabado → Nitruración (500–530°C) → Lapeado/pulido

• El movimiento es mínimo (0.01-0.03mm), por lo que no sigue un paso de rectificado
• La contrapartida: un ciclo de 20–60 horas y una capa endurecida poco profunda

1.4 Temple por inducción

Donde los engranajes grandes necesitan que se endurezcan dientes individuales o toda la pieza, se aplica esta ruta. La profundidad de la zona endurecida puede ajustarse en cualquier punto desde 1-5mm. El rendimiento es alto, aunque el costo del equipo es sustancial.

2. Las cuatro familias de acero para engranajes

2.1 Grados de cementación

• 20CrMnTi: ≥1080
  • Profundidad de capa (mm): 0.8-1.2
  • Dureza superficial (HRC): 58-62
  • Aplicaciones típicas: Engranajes de transmisión automotriz, engranajes de eje motriz
• 20CrMo: ≥980
  • Profundidad de capa (mm): 0.7-1.1
  • Dureza superficial (HRC): 56-60
  • Aplicaciones típicas: Engranajes de transmisión de carga media
• 20CrNiMo: ≥1180
  • Profundidad de capa (mm): 0.9-1.5
  • Dureza superficial (HRC): 58-63
  • Aplicaciones típicas: Engranajes para servicio pesado, maquinaria minera

2.2 Grados de temple y revenido

• 40Cr: 28-32
  • Mejor para: Engranajes de velocidad baja/media
  • Característica clave: Excelentes propiedades mecánicas integrales
• 42CrMo: 32-38
  • Mejor para: Engranajes grandes
  • Característica clave: Templabilidad profunda
• 45#: 25-30
  • Mejor para: Engranajes de carga baja
  • Característica clave: Bajo costo, fácil de mecanizar

2.3 Grados de nitruración y temple total

Una vez que el 38CrMoAl ha sido nitrurado, su superficie alcanza 900-1100 HV (aproximadamente 65-70 HRC) — la resistencia al desgaste es sobresaliente, sin embargo la zona endurecida mide solo 0.3-0.6mm, lo que se adapta a engranajes de precisión. Para piezas de precisión de módulo pequeño, el acero para rodamientos GCr15 a 60-65 HRC es la respuesta habitual.

2.4 Plásticos y otros no metales

Las cargas ligeras y el funcionamiento silencioso son el dominio de plásticos de ingeniería como POM y nailon (PA66+GF30). La temperatura de servicio continuo para estos materiales generalmente alcanza un máximo de 120°C.

3. Combinación de material, tratamiento y precisión

4. Defectos que aparecen y cómo responder a ellos

• Exceso de carburos en la capa: o el potencial de carbono fue demasiado rico o la etapa de difusión se acortó
  • Solución: reducir el potencial de carbono a 0.8-1.0%C y dar más tiempo a la difusión
• Agrietamiento por temple: la velocidad de enfriamiento fue demasiado agresiva, o el acero contiene demasiado carbono
  • Solución: enfriar la pieza parcialmente antes del temple, o cambiar a un aceite de martemplado
• Dureza por debajo de lo requerido: la temperatura de temple fue baja, o el enfriamiento resultó inadecuado
  • Solución: verificar que el horno caliente uniformemente, y aumentar la agitación
• Distorsión fuera de límites: el calentamiento fue desigual, o las piezas se cargaron mal
  • Solución: cargar verticalmente e insertar una etapa de precalentamiento
• Quemado por rectificado: se removió demasiado material por pasada, o el enfriamiento fue débil
  • Solución: mantener la profundidad a ≤0.03mm por pasada

5. Consejos de taller

1. El potencial de carbono es la variable que lo decide todo: con una atmósfera de metanol+queroseno, mantener la fluctuación dentro de ±0.05%C es lo que mantiene uniforme la profundidad de capa. El análisis capa por capa cada 4 horas le indica el nivel real de carbono.
2. El revenido a baja temperatura no es opcional: omítalo y la fractura en la raíz se vuelve mucho más probable. Para 20CrMnTi, 180°C × 2h es el mínimo.
3. El tratamiento previo establece el techo: una estructura normalizada que es uniforme produce una capa cementada que es uniforme. El bandeamiento que se deja en su lugar produce una profundidad de capa desigual, así que elimínelo durante el normalizado.
4. Trate el rectificado y el tratamiento térmico como una sola cadena: cuánto se mueve una pieza durante la cementación decide dónde termina el sobrematerial de rectificado. Ejecutar 3-5 piezas de prueba antes de que comience el lote reduce notablemente las tasas de rechazo.

6. Normas y fuentes

• JB/T 7516-2018 — Materiales para engranajes y tratamiento térmico (norma industrial china)
• GB/T 9450-2020 — Determinación de la profundidad de capa cementada
• PinyiGear Capacidades de fabricación de engranajes y guía de materiales | Soluciones de engranajes personalizados
• ISO 6336-5:2016 — Cálculo de la capacidad de carga de engranajes rectos y helicoidales — Parte 5: Resistencia y calidad de los materiales

Compilado por el equipo técnico de PinyiGear como parte de nuestras notas continuas. Nuevas entradas aparecen en la serie Diseño de engranajes y fabricación de precisión. ¿Necesita ayuda para elegir un engranaje? La Herramienta de parámetros de engranajes rectos es el lugar para comenzar.