Carburización profunda de engranajes: parámetros, control de distorsión e inspección

Resumen: Una vez que la profundidad efectiva de endurecimiento superficial supera los 2 mm, la carburización se convierte en la ruta térmica predeterminada para engranajes que soportan cargas pesadas. Dos ventanas de proceso gobiernan el resultado: 920–950°C para la temperatura de la atmósfera del horno y 1.0–1.2%C para el potencial de carbono de impulso. Mantener la desviación de paso dentro de 0.02 mm y la desviación de perfil dentro de 0.015 mm requiere tres cosas que trabajen juntas: una compensación por distorsión inversa incorporada en la pieza en bruto, un medio de temple adaptado a la sección y un programa de revenido controlado.

1. Mantener la distorsión bajo control

El movimiento dimensional después de la carburización y el temple es una de las causas más comunes de rechazo en el tratamiento térmico de engranajes. Se manifiesta como error de paso, deformación del perfil y agujeros fuera de redondez. Se dispone de tres medidas para contrarrestarlo.

1.1 Incorporar distorsión inversa en la pieza en bruto

Compensar en la etapa de dibujo y mecanizado en desbaste es la opción de menor costo.

• Precoronación del paso: aplicar 0.01–0.05 mm de compensación en dirección opuesta, con la cantidad elegida según la relación longitud-diámetro
• Compensación por contracción del espacio entre dientes: permitir 0.02–0.04 mm de tolerancia negativa donde las secciones de pared son delgadas

Nota de campo: Un engranaje para aerogenerador con módulo 12 se procesó tres veces antes de que se hiciera visible un patrón de paso cónico. Agregar 0.025 mm de conicidad inversa durante el mecanizado en desbaste redujo el movimiento medido de 0.06 mm a 0.015 mm.

1.2 Elegir el medio de temple y dar forma a la curva de enfriamiento

Nota de campo: Una vez que la CHD alcanza los 3 mm o más, el martemplado es la ruta recomendada. Extiende el ciclo en aproximadamente un 30%, pero el movimiento del perfil puede reducirse en más del 50%. PinyiGear acumula registros de deformación de la carburización de engranajes grandes; los detalles están disponibles en nuestra página de capacidades.

1.3 Cómo afecta el revenido a la estabilidad dimensional

Mantener a 160–200°C libera aproximadamente el 60% de la tensión dejada por el temple, aunque la austenita retenida no se descompone por completo en ese punto. Cuando se requiere una precisión de Grado D o más estricta, se utilizan dos pasadas de revenido:

• Primera pasada: 180°C durante 3 h
• Segunda pasada: 170°C durante 4 h, con un retorno a temperatura ambiente entre ambas
• Paso criogénico opcional: −80°C durante 1 h para eliminar la austenita retenida

2. Cómo funciona el proceso

2.1 Definición de carburización profunda

Un tratamiento de carburización se considera carburización profunda cuando la profundidad efectiva de endurecimiento superficial (CHD) alcanza los 2 mm o más. Se aplica a cajas de engranajes en aerogeneradores, maquinaria de construcción, equipos de minería y accionamientos similares de servicio pesado. A la temperatura de austenización, el carbono se difunde en la superficie del diente, creando una capa exterior rica en carbono; el temple posterior convierte esa capa en martensita dura mientras el núcleo conserva su ductilidad.

2.2 Variables del proceso y sus efectos

• Temperatura de carburización: 920–950°C
  • Aumentar el punto de ajuste en 10°C eleva la velocidad de difusión en aproximadamente un 20%
• Potencial de carbono: etapa de impulso 1.0–1.2%C; etapa de difusión 0.75–0.85%C
  • Un valor demasiado alto conduce a redes de carburos
• Duración: 12–50 horas, según la profundidad objetivo
  • La profundidad crece aproximadamente con la raíz cuadrada del tiempo
• Temperatura de temple: 820–860°C
  • Se puede utilizar temple directo o un paso de recalentamiento
• Temperatura del aceite de temple: 60–120°C
  • Esta configuración influye en la velocidad de formación de martensita
• Temperatura de revenido: 160–200°C
  • Un revenido a baja temperatura alivia la tensión residual

2.3 Selección de un acero para carburización

Tres grados cubren la mayoría de las aplicaciones de engranajes cementados:

• 18CrNiMo7-6 — la elección estándar para engranajes de cajas de aerogeneradores
• 20CrMnTi — utilizado en engranajes de transmisión generales
• 17CrNiMo6 — especificado donde se necesita una vida a la fatiga muy alta

Una regla útil: la CHD efectiva se sitúa entre 0.15 y 0.25 veces el módulo. Para m=10, la CHD recomendada cae en la banda de 1.5–2.5 mm.

3. Inspección y aceptación

3.1 Qué se mide

3.2 Causas de rechazo y acciones correctivas

• Red de carburos presente: el potencial de carbono de la etapa de difusión fue demasiado alto
  • Solución: reducir el punto de ajuste de difusión al rango de 0.75–0.80%C
• Capa superficial descarburada: la atmósfera del horno no se mantuvo correctamente
  • Solución: verificar la calibración de la sonda de oxígeno y mantener la protección con metanol más N₂
• Distorsión más allá del límite del plano: el enfriamiento fue desigual o las tensiones se concentraron
  • Solución: revisar la disposición de sujeción y agregar compensación por distorsión inversa
• Dureza por debajo de la especificación: la temperatura de temple se ajustó demasiado baja
  • Solución: elevarla a 840–860°C y verificar si el aceite de temple se ha degradado

Nota de campo: PinyiGear ha suministrado engranajes mecanizados a transmisiones de energía eólica durante muchos años. La relación entre la precisión final del engranaje y el material dejado en la pieza en bruto se describe en nuestra guía de productos de engranajes rectos.

4. Documentos fuente

1. ISO 2639:2002 — Determinación de la profundidad efectiva de endurecimiento superficial
2. ISO 1328-1:2013 — Engranajes cilíndricos — Sistema de precisión
3. GB/T 25744-2010 — Inspección metalográfica de aceros cementados y templados
4. AGMA 2001-D04 — Normas de materiales y tratamiento térmico para engranajes
5. Gestión de la distorsión por tratamiento térmico para engranajes, China Machine Press, 2021

Ensamblado a partir de notas de estudio técnico de rutina. Para discutir la selección de engranajes o un problema de tratamiento térmico, visite PinyiGear.

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