Carburizing y temple de engranajes: parámetros y prevención de defectos

Resumen: Entre los tratamientos térmicos aplicados a los engranajes, el carburizing seguido de temple sigue siendo el caballo de batalla. Se produce una capa exterior resistente al desgaste de 58–62 HRC mientras el interior permanece dúctil a 30–42 HRC. Cuatro variables gobiernan el resultado: temperatura del horno (920–950°C), nivel de carbono en la atmósfera (0.75–1.05%C), temperatura de inicio del temple (820–860°C) y calor de revenido (160–200°C). Los registros de taller indican que la deriva del proceso es responsable de más del 80% de las fallas observadas en engranajes carburizados.

1. Cómo funciona el proceso

El carburizing más el temple es un ciclo térmico de dos partes. El engranaje se coloca en una atmósfera que suministra carbono a una temperatura superior al umbral de austenización, el carbono migra hacia el interior desde la superficie, y un enfriamiento rápido convierte la capa enriquecida en martensita de alto carbono.

Definición operativa: Un tratamiento termoquímico que cambia la química superficial — el carbono sube de 0.15–0.25%C en el interior a 0.70–1.05%C en la piel — tras lo cual el temple produce el efecto de endurecimiento.

Secuencia de etapas

• Descomposición: El gas de alimentación (gas natural, propano o queroseno) se descompone a temperatura elevada, liberando carbono reactivo.
• Captación: Esos átomos reactivos son absorbidos en la red de austenita en la piel del engranaje.
• Migración hacia el interior: Se desarrolla una pendiente de concentración a medida que el carbono viaja progresivamente más profundo.

2. Ventana de parámetros y consecuencias

• Temperatura del horno: 920–950°C
  • Consecuencia para el engranaje: un aumento de 10°C eleva la velocidad de difusión aproximadamente un 20%, pero el engrosamiento de granos se vuelve más probable
  • Precisión objetivo: ±5°C
• Nivel de carbono en la atmósfera: 0.75–1.05%C
  • Consecuencia para el engranaje: el enriquecimiento de carbono avanza más rápido a valores más altos, aunque pueden aparecer redes de carburos
  • Precisión objetivo: ±0.05%C
• Temperatura de inicio del temple: 820–860°C
  • Consecuencia para el engranaje: gobierna cuánta austenita permanece sin transformar y la forma de la martensita
  • Precisión objetivo: ±10°C
• Calor de revenido: 160–200°C
  • Consecuencia para el engranaje: la dureza cae aproximadamente 1–2 HRC por cada 10°C añadidos
  • Precisión objetivo: ±5°C
• Profundidad de la capa endurecida: 0.3–1.5 mm
  • Consecuencia para el engranaje: las capas más profundas resisten mejor la fatiga de contacto
  • Precisión objetivo: ±0.1mm

Cómo interactúan las variables

El nivel de carbono y la profundidad de la capa no escalan linealmente. Tomando 920°C como punto de referencia:

• Durante el boost con 1.05%C, la capa avanza aproximadamente 0.15–0.20 mm cada hora.
• Durante la difusión con 0.80%C, el crecimiento se ralentiza a aproximadamente 0.10–0.12 mm por hora.

Una aproximación útil: la profundidad crece con la raíz cuadrada del tiempo — profundidad ≈ K × √t, siendo K el coeficiente de temperatura (aproximadamente 0.45 cuando el horno funciona a 920°C) y t la duración del boost medida en horas.

3. Rutas de proceso de uso común

Rutas de carburizing disponibles

1. Carburizing en atmósfera (gas) — la opción principal

   • Atmósfera: propano con gas portador de metanol craqueado, o una mezcla de nitrógeno–metanol
   • Fortalezas: el nivel de carbono se puede mantener con precisión; funciona bien para lotes repetitivos
   • Ruta dominante en sistemas de transmisión de engranajes de precisión

2. Carburizing a baja presión (vacío)

   • Atmósfera: acetileno o etileno
   • Fortalezas: sin oxidación interna en absoluto; adecuado para calidad de engranaje exigente
   • Preferido para fabricación de engranajes personalizados

3. Carburizing en baño de sales

   • Atmósfera: sales a base de cianuro
   • Fortalezas: captación rápida de carbono, pero el manejo ambiental es difícil; la ruta está siendo retirada

4. Defectos, causas raíz y remedios

4.1 Profundidad de capa fuera de especificación

• Causa raíz: deriva en el tiempo o la temperatura, o nivel de carbono errático
• Remedio: ejecutar una sonda de oxígeno alimentando un controlador de carbono en lazo cerrado; verificar con láminas de prueba a intervalos

4.2 Redes de carburos

• Causa raíz: nivel de carbono por encima de 1.10%C, o tiempo insuficiente para la difusión
• Remedio: limitar el boost a 1.05%C y programar un período de difusión suficiente

4.3 Oxidación bajo la superficie

• Causa raíz: demasiado oxígeno en el gas del horno (punto de rocío no mantenido)
• Remedio: mantener el punto de rocío a −30°C o menos; suministrar nitrógeno de alta pureza

4.4 Cambio de forma fuera de límites

• Causa raíz: enfriamiento no uniforme después del temple, o una forma de engranaje no simétrica
• Remedio: mejorar la disposición de los utillajes; aplicar temple con prensa para componentes de eje de precisión

4.5 Dureza por debajo de lo requerido

• Causa raíz: temple iniciado demasiado frío, o velocidad de enfriamiento demasiado lenta
• Remedio: verificar la temperatura del aceite (60–80°C) y confirmar que el agitador funciona

5. Inspección y aceptación

El control estricto durante el carburizing debe planificarse junto con la secuencia más amplia de mecanizado de engranajes.

Guía para el taller

1. Las verificaciones del nivel de carbono no son negociables: se acumulan depósitos en las sondas de oxígeno y las lecturas derivan. Verificar con láminas de prueba cada semana; si la lectura se desvía más de ±0.05%C, corregirla antes de volver a operar.
2. Vigilar la condición del aceite de temple: el rendimiento de enfriamiento disminuye una vez que el aceite ha visto seis meses de servicio o más de 100 toneladas de piezas. Realizar una prueba de curva de enfriamiento cada trimestre.
3. El utillaje afecta el resultado: dejar al menos 10mm entre engranajes adyacentes para que el gas circule uniformemente. Los engranajes grandes deben colocarse cerca del centro de la carga, lejos del ventilador.
4. Añadir un paso de preoxidación: mantener las piezas a 450–550°C durante 30–60 minutos antes del carburizing mejora notablemente la consistencia de la capa y reduce la probabilidad de oxidación interna.

Referencias

• GB/T 9450-2018 — Determinación y verificación de la profundidad de capa endurecida por carburizing para piezas de acero
• ISO 6336-5:2016 — Cálculo de la capacidad de carga de engranajes rectos y helicoidales — Parte 5: Resistencia y calidad de los materiales
• “Manual de estándares de procesos de tratamiento térmico de engranajes” (China Machine Press)
• Base de datos interna de procesos de PinyiGear (edición 2025)

Apéndice: Datos de proceso adicionales

El contenido a continuación consolida tablas y figuras trasladadas de artículos anteriores sobre el mismo tema (antiguos ids 29, 35, 38, 41, 42, 43, 46). Todos los números, unidades, designaciones de grado y números de estándar permanecen sin cambios.

A1. Comparación de medios de carburizing

• Carburizing en gas: propano con gas portador
  • Banda de temperatura: 920–950°C
  • Crecimiento de capa (mm/h): 0.15–0.35
  • Dónde encaja: trabajo por lotes, servicios de carburizing de engranajes
• Carburizing al vacío: acetileno
  • Banda de temperatura: 950–1050°C
  • Crecimiento de capa (mm/h): 0.25–0.50
  • Dónde encaja: engranajes de alta precisión, anillos internos
• Carburizing en baño de sales: sales a base de cianuro
  • Banda de temperatura: 900–930°C
  • Crecimiento de capa (mm/h): 0.20–0.40
  • Dónde encaja: engranajes de módulo pequeño

A2. Profundidad efectiva de capa frente al módulo del engranaje

A3. Qué gobierna la distorsión

• Antes del carburizing: el normalizado junto con un revenido a alta temperatura reduce la tensión residual de mecanizado y puede disminuir el cambio de forma relacionado con el temple en un 30%–50%
• Temperatura de inicio del temple: situarse 30–50°C por encima de Ac3 funciona mejor; ir más caliente aumenta el riesgo de distorsión
• Medio de enfriamiento: el aceite caliente mantenido a 80–120°C produce un 40%–60% menos de distorsión que el aceite a temperatura ambiente
• Disposición de la carga: colocar los engranajes en posición vertical o colgarlos de utillajes hechos a propósito; no apilarlos

A4. Un caso del taller

Nota: En un trabajo reciente de engranajes cónicos helicoidales m=5 con un requisito de precisión DIN 6, la ruta elegida fue carburizing al vacío combinado con martempering. Tres iteraciones de ajuste llevaron la desviación de forma dentro de 0.08 mm y la primera inspección aprobó el 92% de las piezas.

A5. Programa de tres etapas: división del tiempo y velocidad de calentamiento

• Etapa uno — calentamiento y ecualización: 850–930°C
  • Proporción del ciclo: 15–20%
  • Punto de control: calentar a no más de 100°C/h
• Etapa dos — boost: 920–950°C
  • Proporción del ciclo: 50–60%
  • Punto de control: nivel de carbono 1.05-1.20%C; duración tomada de la fórmula de profundidad de capa
• Etapa tres — difusión: 880–920°C
  • Proporción del ciclo: 20–30%
  • Punto de control: nivel de carbono reducido a 0.80-0.95%C para que el gradiente se aplane

A6. Fórmula de profundidad y coeficientes de PinyiGear

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

Cifras de la producción de PinyiGear:

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

Ilustración: alcanzar DS=1.2mm requiere aproximadamente 3.4h de boost a 920°C, mientras que 940°C lo reduce a aproximadamente 2.4h — sin embargo, un aumento de 20°C conlleva una probabilidad significativamente mayor de engrosamiento de grano.

A7. Medio de temple, agitación y dureza del núcleo por grado de acero

A8. Aceptación de microestructura

Requisitos de microestructura (según ISO 6336 / GB/T 3480)

A9. Verificación de carbono, tratamiento en frío y preoxidación

1. Verificar el carbono de la atmósfera cada turno: las sondas de oxígeno necesitan calibración mensual, y una prueba de lámina de acero (±0.05%C) debe confirmar la lectura al inicio de cada turno — sin esto, ningún otro parámetro es confiable.
2. El tratamiento en frío vale la pena en trabajos de precisión: cuando DS alcanza 1.5mm o más, una inmersión a −80°C × 2h después del temple reduce la austenita retenida de 15–20% a 5–8%, lo que mejora notablemente el comportamiento dimensional.
3. No omitir la preoxidación: una retención a 380–420°C × 30min crea sitios de nucleación de Fe₃O₄ en toda la superficie, elevando la uniformidad del carburizing en un 30% o más.
4. La distorsión se decide temprano: la dispersión de dureza después de la forja y el normalizado (mantener dentro de ≤10HB) influye en el cambio de forma final más fuertemente que cualquier cosa hecha en el horno de carburizing.

A10. Selección de profundidad de capa por regla general

Regla general para la selección de profundidad de capa

$$d = (0.1 \sim 0.2) \times m_n$$

Aquí (d) representa la profundidad efectiva de capa (mm) y (m_n) el módulo normal del engranaje (mm). Ilustración: un engranaje de módulo 4 requiere una capa de 0.4–0.8 mm.

A11. Comparación de rutas de carburizing, incluido el plasma

A12. Programa de marquenching

A13. Orientación en el horno

• Dientes hacia arriba: el gas llega más fácilmente a la raíz, aunque el drenaje del aceite durante el temple es peor
• Dientes hacia abajo (suspendidos): el temple es más uniforme, pero el nivel de carbono inicial debe ajustarse más alto

A14. Los cuatro parámetros que más importan

• Profundidad efectiva de capa (CHD): 0.3–2.5 mm
  • Efecto en el engranaje: demasiado delgada invita al desprendimiento por fatiga de contacto; demasiado gruesa cuesta tenacidad al impacto
• Concentración de carbono en la superficie: 0.7%–1.0% C
  • Efecto en el engranaje: un valor bajo deja la dureza corta; un valor alto deja austenita retenida y desgasta más rápido
• Temperatura de inicio del temple: 800–860°C (temple directo)
  • Efecto en el engranaje: da forma a la martensita y a cómo se distribuye la tensión residual
• Calor de revenido: 160–200°C
  • Efecto en el engranaje: alivia tensiones, estabiliza la estructura y preserva la dureza

A15. Módulo, CHD y tiempo de carburizing

Para el límite inferior, usar CHD ≈ 0.2 × (Módulo + 1).

A16. Temperatura de temple y medio de enfriamiento

La temperatura de temple se fija en Ac3 + 30~50°C, que en la práctica queda alrededor de 810~840°C. Opciones de medio:

• Temple en aceite: funciona para engranajes de módulo ≤ 8, con distorsión que puede gestionarse
• Baño de sales o temple con matriz: la elección para engranajes de precisión de pared delgada o grandes, manteniendo la desviación de forma dentro de 0.05mm

A17. Contramedidas para defectos y práctica de carga

Distorsión excesiva

• Causa: calentamiento no uniforme, enfriamiento demasiado rápido, o geometría del engranaje sin simetría
• Contramedida: precalentar a 500°C durante 30 min, luego templar bajo presión de matriz

Dureza superficial por debajo de 58HRC

• Causa: temple iniciado demasiado frío o capacidad de enfriamiento insuficiente
• Contramedida: verificar la temperatura del aceite (óptima: 40~80°C) y cambiar los medios degradados

Delaminación de la capa

• Causa: la pendiente de carbono a través de la zona de transición es demasiado abrupta
• Contramedida: alargar la etapa de difusión en 1~2h para que el carbono disminuya gradualmente

Conclusiones prácticas

Los registros de taller de PinyiGear indican que cómo se carga el horno determina aproximadamente el 60% del éxito del carburizing. Colocar los engranajes con las caras dentadas hacia arriba a espaciado uniforme (al menos 10mm de separación) permite que el gas viaje libremente y evita el problema conocido de una capa delgada en la raíz combinada con exceso de carbono en la punta. Antes de comprometerse con un lote, validar el proceso en una primera pieza usando prueba de barrido de microdureza.

A18. Parámetros para carburizing de capa profunda (12~50 h)

• Temperatura del horno: 920–950°C
  • Efecto: un aumento de 10°C acelera la difusión aproximadamente un 20%
• Nivel de carbono: boost a 1.0–1.2%C, difusión a 0.75–0.85%C
  • Efecto: ir demasiado alto produce redes de carburos
• Duración: 12–50 horas (dependiente de la profundidad)
  • Efecto: la profundidad sigue √t
• Temperatura de temple: 820–860°C
  • Efecto: temple directo o con recalentamiento
• Temperatura del aceite de temple: 60–120°C
  • Efecto: marca el ritmo de la transformación a martensita
• Temperatura de revenido: 160–200°C
  • Efecto: el revenido a baja temperatura alivia tensiones

A19. Grados de material y la relación CHD/módulo

Grados típicamente especificados:

• 18CrNiMo7-6 — el pilar para cajas de engranajes de turbinas eólicas
• 20CrMnTi — usado ampliamente para engranajes de transmisión general
• 17CrNiMo6 — elegido donde la vida a la fatiga debe ser muy alta

En la práctica, CHD ≈ (0.15–0.25) × módulo. Un engranaje de módulo m=10 requiere por lo tanto CHD = 1.5–2.5mm

A20. Compensación de predeformación y datos de turbinas eólicas

Compensación de predeformación

Construir una forma inversa en el diseño es la forma más económica de controlar el resultado:

• Precoronación del flanco: 0.01–0.05mm de compensación inversa derivada de la relación L/D
• Compensación de contracción del espacio dentario: 0.02–0.04mm de tolerancia negativa aplicada a engranajes de pared delgada

Nota: En un engranaje de turbina eólica m=12, tres corridas de prueba expusieron una desviación de flanco en forma de cono. Introducir 0.025mm de compensación de cono inversa en la etapa de mecanizado en bruto redujo la deformación de 0.06mm a 0.015mm.

A21. Opciones de medio de temple y riesgo de distorsión

A22. Temple, revenido y tratamiento en frío para capas profundas

Nota: Los engranajes con CHD ≥3mm se benefician de pasar por martempering. El tiempo de ciclo aumenta alrededor de un 30%, pero la distorsión del perfil cae más de la mitad. Los datos de deformación acumulada del trabajo de carburizing de engranajes grandes de PinyiGear están disponibles en nuestra página de capacidades.

Revenido y estabilidad dimensional

Un revenido a baja temperatura (160–200°C) elimina aproximadamente el 60% de la tensión de temple, aunque deja la austenita retenida en gran medida intacta. Donde se requiere precisión Grado D o mejor:

• Primer revenido: 180°C × 3h
• Segundo revenido: 170°C × 4h (volver a temperatura ambiente entre ambos)
• Inmersión en frío profundo opcional: −80°C × 1h para eliminar la austenita retenida

A23. Métricas de inspección para capas profundas

A24. Defectos de capa profunda y cómo responder a ellos

• Redes de carburos: nivel de carbono demasiado alto durante la difusión
  • Solución: bajar el nivel de carbono de difusión a 0.75–0.80%C
• Descarburización en la superficie: atmósfera mal regulada
  • Solución: inspeccionar las sondas de oxígeno; proteger con metanol + N₂
• Distorsión fuera de tolerancia: enfriamiento no uniforme, o tensión concentrada
  • Solución: mejorar el utillaje e incorporar la compensación de predeformación en el diseño
• Dureza por debajo del objetivo: temperatura de temple fijada demasiado baja
  • Solución: subirla a 840–860°C y verificar si el aceite de temple se ha degradado

A25. Etapas de boost, difusión y temple

• Etapa de boost: 930±10°C con nivel de carbono 1.10-1.20%C
  • Vigilar: crecimiento de capa de 0.15-0.25mm por hora
• Etapa de difusión: 920±10°C con nivel de carbono 0.80-0.90%C
  • Vigilar: mantener la pendiente de carbono suave y prevenir redes de cementita
• Etapa de temple: 830–860°C (temple directo)
  • Vigilar: el enfriamiento debe superar la velocidad crítica martensítica (aproximadamente 50°C/s en aceite)

A26. CHD frente al módulo con requisitos de gradiente de dureza

A27. Formas de distorsión y cómo contrarrestarlas

Control de distorsión

El cambio de forma después del carburizing sigue siendo un problema obstinado en el trabajo de transmisión de engranajes de precisión. Las formas vistas con más frecuencia:

Contramedidas:

1. Normalizar más revenir antes del mecanizado — esto refina los granos y uniformiza la tensión interna
2. Templar desde justo por debajo de Ac3 (intercrítico) para que la tensión térmica se mantenga más baja
3. Mantener la geometría con presión de matriz o utillajes en la estación de temple
4. Dejar material para una operación de rectificado final después del tratamiento térmico

Nota: En el trabajo de mecanizado de engranajes de precisión de PinyiGear, insertar un recocido de alivio de tensiones a 650°C durante 2h antes del carburizing ha reducido la distorsión en engranajes C22 (8620) en más del 40%. La temperatura de recocido debe situarse por encima de la que haya usado el paso térmico anterior — aproximadamente 100°C más alta que la temperatura de carburizing — o el alivio de tensiones no será completo.

A28. Verificaciones rutinarias y límites de aceptación

A29. Descarburización, martensita gruesa y capas no martensíticas

Defectos y sus soluciones

Nota: Entre las variables del carburizing, el carbono superficial es la que más a menudo se subestima. Un valor por encima de 1.0%C precipita una red de carburos que acorta la vida a la fatiga de contacto, mientras que un valor por debajo de 0.7%C deja la dureza demasiado baja. Para trabajos de engranajes personalizados realizamos análisis de carbono por eliminación de capa en cada lote y lo combinamos con verificaciones completas de distorsión por CMM, lo que mantiene la calidad entregada consistente.

A30. Carburizing al vacío a baja presión frente a carburizing en gas

A31. Hacia dónde se dirige el LPVC

Perspectiva de aplicación del LPVC

A medida que las transmisiones electrificadas y las transmisiones de engranajes de precisión exigen una vida a la fatiga más larga, el carburizing al vacío a baja presión (LPVC) sigue pasando de la aeroespacial a la transmisión industrial premium. Las proyecciones sitúan la adopción de LPVC en engranajes de transmisión de vehículos de pasajeros por encima del 35% para 2028.

A32. Tipos de distorsión, rangos y dificultad de corrección

A33. Aceros de carburizing: tendencia a la distorsión y datos de Ms

• 20CrMnTi
  • Tendencia a la distorsión: Moderada
  • Aplicaciones típicas: Engranajes de transmisión automotriz, mejor relación costo-rendimiento
• 20CrMo
  • Tendencia a la distorsión: Baja
  • Aplicaciones típicas: Engranajes de módulo pequeño a medio, piezas sensibles a la distorsión
• 17CrNiMo6
  • Tendencia a la distorsión: Baja
  • Aplicaciones típicas: Engranajes de servicio pesado, energía eólica y maquinaria de construcción
• 8620H
  • Tendencia a la distorsión: Moderada
  • Aplicaciones típicas: Piezas estándar de exportación, control de banda de templabilidad estrecha

A34. Selección de material para engranajes de anillo grandes de pared delgada

Nota: Donde los engranajes de anillo tienen paredes delgadas y diámetros superiores a 400mm, 17CrNiMo6 o 20CrMo deben ser la primera opción. Su aleación da un punto Ms más bajo (inicio de martensita alrededor de 300~330°C), por lo que la tensión de transformación se relaja más completamente — aproximadamente un 30% mejor control de forma que 20CrMnTi.

A35. Variables centrales del carburizing

A36. Elección del medio de temple y ajuste de la velocidad de agitación

Control del proceso de temple

La velocidad de enfriamiento, y por lo tanto la distorsión, depende directamente del medio elegido:

• Aceite de martempering (preferido): 80~120°C, buena combinación para aceros de engranajes y aceros de carburizing aleados
• Aceite de temple rápido: usado solo en formas simples, con mayor riesgo de distorsión
• Austempering: baño de sales a 220~320°C, la distorsión es mínima pero el ciclo es más largo

Nota: La agitación se mantiene mejor entre 0.5~1.0m/s. Por debajo de 0.3m/s el enfriamiento es inadecuado y la dureza sufre; por encima de 1.5m/s el enfriamiento se vuelve desigual y la contracción del agujero sube un 40%~60%. La agitación controlada por VFD permite ajustar el valor a la sección transversal del engranaje.

A37. Diseño del margen de distorsión y compensación anticipada

Diseño del margen de distorsión

El modelado FEA predice cómo se moverá la pieza, y el inverso de ese movimiento se mecaniza en la etapa de corte del engranaje. Para módulos 3~6, PinyiGear ejecuta un módulo de simulación de distorsión por carburizing-temple basado en ANSYS:

Compensación de predeformación

A38. Cómo se inspecciona la distorsión y con qué frecuencia

• Dimensión del agujero: calibrador de aire o CMM
  • Precisión: ±0.002mm
  • Tasa de muestreo: 100%
• Perfil / flanco: centro de medición de engranajes (Klingelnberg/Gleason)
  • Precisión: ±0.003mm
  • Tasa de muestreo: 10%~20%
• Excentricidad de cara: indicador de cuadrante
  • Precisión: ±0.005mm
  • Tasa de muestreo: 100%
• Profundidad de capa: metalográfico o microdureza
  • Precisión: ±0.05mm
  • Tasa de muestreo: 1~3 piezas por lote

A39. Tres palancas que funcionan mejor para la distorsión

Resumen práctico

Años de seguimiento en el taller e iteración del proceso llevaron a PinyiGear a identificar tres palancas para controlar la distorsión:

1. Control en la fuente: escribir una banda de templabilidad de J9≤4HRC en la especificación de compra del material para que la dispersión entre coladas desaparezca.
2. Uniformizar la temperatura: pasar del carburizing en atmósfera más temple en aceite al carburizing al vacío con temple en gas a alta presión (10~20bar) — el cambio de forma cae más del 50%.
3. Diseñar para el movimiento: mantener una base de datos de distorsión a nivel de empresa y alimentar su historial en los nuevos diseños de engranajes, para que el bucle de diseño a fabricación se cierre.