Control efectivo de la profundidad de capa en el carburizado y temple de engranajes

Punto clave: Cuando el acero para engranajes 20CrMnTi se carburiza, una profundidad efectiva de capa (DS) entre 0.8-1.5mm mantiene la microestructura estable. Mantener el potencial de carbono en 1.0%C-1.2%C produce la martensita acicular o finamente acicular deseada, con una dureza superficial que alcanza 58-62HRC. Una vez que la profundidad de capa supera los 2.0mm, la austenita retenida comúnmente excede el límite crítico del 15% y la vida a la fatiga disminuye.

1. Fundamentos del proceso

El carburizado seguido de temple es un tratamiento térmico combinado. Un engranaje de acero de bajo carbono se mantiene en una atmósfera rica en carbono para que el carbono se difunda en la capa superficial, y luego se enfría rápidamente para crear una capa martensítica dura. El propósito es combinar una superficie dura resistente al desgaste con un núcleo tenaz que absorba el impacto: las dos demandas más conflictivas que se imponen a los engranajes de transmisión.

1.1 Las tres etapas

• Etapa de calentamiento / igualación: 850–930°C
  • Proporción del ciclo: 15–20%
  • Ajustes principales: Velocidad de calentamiento ≤100°C/h
• Etapa de impulso (carburizado): 920–950°C
  • Proporción del ciclo: 50–60%
  • Ajustes principales: CP 1.05-1.20%C, duración según la fórmula de profundidad de capa
• Etapa de difusión: 880–920°C
  • Proporción del ciclo: 20–30%
  • Ajustes principales: CP reducido a 0.80-0.95%C, homogeneización del gradiente

1.2 Estimación de la profundidad de capa

Una regla práctica utilizada en el taller es:

Profundidad efectiva de capa ( DS = k \times \sqrt{t} )

De los registros de producción de PinyiGear:

• Impulso a 920°C: DS(mm) ≈ 0.65 × √t(h)
• Impulso a 940°C: DS(mm) ≈ 0.78 × √t(h)

Para DS=1.2mm, la ruta de 920°C necesita aproximadamente 3.4h de impulso, mientras que 940°C lo reduce a unas 2.4h. Sin embargo, cada aumento de 20°C añade un riesgo marcado de engrosamiento del grano.

2. Parámetros que determinan el resultado

2.1 Potencial de carbono

De todas las variables del carburizado gaseoso, el potencial de carbono es el más importante. Describe el contenido de carbono en equilibrio en la superficie del acero en contacto con la atmósfera del horno. El enfoque de control es:

• Impulso: 1.05-1.20%C, para que un gradiente pronunciado empuje el carbono hacia el interior
• Difusión: 0.80-0.95%C, que suprime las redes de carburos en los límites de grano
• Un CP demasiado alto deja austenita retenida por encima del 20% y carburos en red a lo largo de los límites de grano
• Un CP demasiado bajo ralentiza el carburizado, deja la capa superficial poco profunda y la superficie con dureza insuficiente

2.2 Medio de temple y enfriamiento

2.3 Objetivos de microestructura (ISO 6336 / GB/T 3480)

3. Defectos, causas y soluciones

• Defecto: Capa superficial poco profunda: DS por debajo de la especificación
  • Causa raíz: Tiempo corto o CP bajo
  • Contramedida: Extender el tiempo de impulso, recalibrar la sonda de O₂
• Defecto: Baja dureza superficial: <58HRC
  • Causa raíz: Demasiada austenita retenida
  • Contramedida: Tratamiento criogénico (-80°C) o difusión más prolongada
• Defecto: Distorsión fuera de tolerancia: Desviación del perfil o de la traza del diente
  • Causa raíz: Tensión de temple desigual
  • Contramedida: Ajustar la orientación de entrada al aceite, añadir preoxidación
• Defecto: Carburos en red: Carburos continuos en los límites de grano
  • Causa raíz: Tiempo de difusión demasiado corto
  • Contramedida: Alargar la difusión, reducir el CP de difusión

4. Práctica en el taller

1. Verificar el potencial de carbono todos los días: esto es lo primero. Las sondas de oxígeno necesitan calibración mensual, y una prueba de carbono con lámina de acero (±0.05%C) debe confirmar la lectura en cada turno. Sin eso, no se puede confiar en ningún parámetro del proceso.
2. Los engranajes de alta precisión necesitan tratamiento criogénico. Para engranajes con DS≥1.5mm, un paso criogénico de -80°C×2h después del temple reduce la austenita retenida del 15–20% al 5–8%, lo que mejora enormemente la estabilidad dimensional.
3. No omita la preoxidación. Un paso de preoxidación a 380–420°C×30min crea sitios de nucleación de Fe₃O₄ en la superficie y mejora la uniformidad del carburizado en más del 30%.
4. El control de la distorsión comienza con la pieza en bruto. La uniformidad de dureza después de la normalización de forja (dispersión ≤10HB) influye en la distorsión final más que el propio proceso de carburizado.

5. Normas y fuentes

• GB/T 3480-2019 Cálculo de la capacidad de carga de engranajes
• ISO 6336-5:2016 Cálculo de resistencia de engranajes (Materiales y tratamiento térmico)
• JB/T 6141.2-2018 Especificación del proceso de carburizado y temple de engranajes
• Manual de procesos de fábrica de PinyiGear

Lectura relacionada: Los requisitos de mecanizado antes del carburizado se cubren en Preparación y normalización de piezas en bruto para engranajes. Las fichas de procesos de tratamiento térmico para materiales de engranajes específicos están disponibles en Capacidades de mecanizado de engranajes.

N.º de documento: GL-TN-20260713 | Categoría: Tratamiento térmico | Avance: Detección y control de quemaduras por rectificado de engranajes