Guía de selección del tratamiento térmico de engranajes: comparación entre temple por inducción, nitruración y cementación

La versión corta

Que un engranaje sobreviva a su ciclo de trabajo o falle por picadura depende en gran medida del tratamiento térmico. Tres rutas cubren la mayor parte del trabajo industrial:

• Cementación — 20CrMnTi, superficie HRC 58–62 sobre una capa de 0.8–2.0 mm. La respuesta estándar para engranajes de alta carga con módulo ≥ 3.
• Nitruración gaseosa — 40Cr o 38CrMoAl, HV 550–900, con casi ningún movimiento dimensional. Se elige para engranajes esbeltos y de tolerancias ajustadas.
• Temple por inducción — 42CrMo, HRC 50–55, el más económico de los tres. Se adapta a engranajes de servicio medio fabricados con acero de medio carbono.

PinyiGear opera las tres rutas y entrega engranajes acabados según DIN 6–8.

Qué cambia el tratamiento dentro del diente

La pieza se lleva por encima de su temperatura crítica —o se mantiene dentro de una banda establecida—, se sostiene, y luego se enfría, con o sin un elemento de aleación que difunda hacia el interior, de modo que la microestructura se transforma. Lo que se gana es un flanco que resiste el desgaste mientras el material subyacente permanece tenaz.

Los requisitos provienen de tres modos de fallo: picadura por fatiga de contacto, fisuración por fatiga de flexión en la raíz, y desgaste o agarrotamiento. Tanto la resistencia a la fatiga de contacto del flanco como la resistencia a la flexión de la raíz quedan determinadas por el tratamiento, lo que explica por qué las transmisiones que trabajan por encima de HRC 50 no pueden producirse sin uno.

Comparación entre engranajes de flanco blando y flanco duro

Profundidad efectiva de la capa: la cifra determinante en el plano

La profundidad efectiva de la capa se mide en ángulo recto respecto al flanco, desde la superficie hasta donde la dureza cae a un nivel especificado —normalmente HV 550. En un plano de tratamiento térmico, es el valor de aceptación que más peso tiene.

Para las piezas cementadas, la regla empírica es profundidad de capa ≈ módulo m × 0.15–0.25.

• M2: 0.5–0.8 mm
• M4: 0.8–1.2 mm
• M6: 1.2–1.6 mm
• M8–M10: 1.6–2.5 mm

Se aplican tres advertencias. Una capa demasiado superficial colapsa en el flanco y se pica prematuramente. Una capa demasiado profunda, o un núcleo demasiado duro, deja el diente frágil y más propenso a fracturarse. Y el gradiente de dureza debe caer de forma suave —una transición abrupta invita al desprendimiento de la capa.

Tres procesos, lado a lado

Solo por valor, la cementación sigue siendo la opción predeterminada para engranajes industriales. La nitruración se elige cuando la distorsión debe mantenerse cerca de cero. El temple por inducción asume el trabajo cuando el precio y el plazo de entrega son los factores decisivos. Tanto para engranajes rectos como para engranajes helicoidales, PinyiGear adapta la ruta a su geometría de diente y cantidad de pedido.

Detalle del proceso y control de parámetros

Cementación y temple

Los materiales base son aceros de bajo carbono y de bajo carbono aleados, como 20CrMnTi y 20CrMo. A 900–950 °C en una atmósfera rica en carbono, el carbono difunde hacia la capa superficial; siguen un enfriamiento por temple y un revenido a baja temperatura. Según el módulo y la carga, la profundidad de capa se establece entre 0.8 y 1.5 mm. La dureza superficial alcanza HRC 58–64 mientras que el núcleo se sitúa en HRC 30–42. Una piel resistente al desgaste sobre un núcleo tolerante al impacto es la razón por la que esta ruta es estándar para los engranajes de transmisión automotrices.

Nitruración

Aquí el material de partida es acero aleado de medio carbono o acero templado y revenido —40Cr y 38CrMoAl, por ejemplo. El nitrógeno difunde a 500–550 °C en una atmósfera de amoníaco descompuesto, y no hay temple posterior. La profundidad de capa permanece superficial, 0.2–0.5 mm, pero la dureza superficial es muy alta, HV 800–1200. Debido a que la distorsión es mínima, la operación puede colocarse en último lugar en la secuencia, lo que conviene a engranajes de precisión y componentes de pared delgada.

Temple por inducción

Los aceros de medio carbono y de medio carbono aleados, como el acero 45 y el 40Cr, funcionan bien aquí. Un campo de alta frecuencia eleva el flanco hasta la temperatura de temple, tras lo cual sigue un enfriamiento por aspersión. El calentamiento se confina a la superficie del diente mientras el núcleo conserva su condición de templado y revenido. El método es rápido, localizado y produce una distorsión que se puede controlar —una buena opción para engranajes de módulo grande.

Control de parámetros

Posición en la secuencia de fabricación

1. Corte → forja → normalizado / temple y revenido (HB 160–190)
2. Torneado en bruto → tallado por fresa o mortajado (dejando un sobreespesor de rectificado de 0.2–0.4 mm)
3. Cementación o nitruración gaseosa, según la selección realizada anteriormente
4. Acabado: rectificado de engranajes (DIN 5–6) o cepillado más bruñido (DIN 6–7)
5. Inspección final: dureza, profundidad de capa, metalografía, precisión del perfil del diente y de la hélice

La nitruración mueve tan poco la pieza que puede programarse después del mecanizado de acabado, sin necesidad de rectificado. La cementación la mueve más, por lo que dejar sobreespesor y rectificar después son ambos obligatorios. PinyiGear procesa piezas de eje junto con engranajes en un mismo ciclo de tratamiento, lo que reduce el error de reamarre.

Notas prácticas e inspección

• Elección de la profundidad de capa: aplique la fórmula basada en el módulo, profundidad de capa ≈ (0.15–0.25)×m. Un exceso de profundidad compra fragilidad; una profundidad insuficiente cuesta vida frente al desgaste.
• Límites de la nitruración: la capa superficial descarta su uso donde el impacto es severo, aunque su rendimiento frente al desgaste y al agarrotamiento es excelente —muy adecuada para engranajes de alta velocidad y carga ligera.
• Medio de temple: el aceite enfría despacio y distorsiona menos; el agua enfría más rápido pero aumenta el riesgo de fisuración.
• Momento del revenido: finalice el revenido dentro de las 2 horas posteriores al temple, de lo contrario la transformación de austenita retenida aumenta la probabilidad de fisuración.
• Alcance de la inspección: tras el tratamiento, verifique la dureza superficial, la dureza del núcleo, la profundidad efectiva de la capa (a HV 550) y la estructura metalográfica (grado de martensita, contenido de austenita retenida).

Lista de verificación para la selección

1. Partir del módulo: m ≥ 3 → cementar; engranajes delgados de alta precisión con m ≤ 2 → nitrurar.
2. Objetivo de precisión: DIN 5–6 requiere rectificado para eliminar la distorsión de la cementación; la nitruración puede usarse sin rectificado.
3. Cantidad de pedido: el coste de la cementación se absorbe bien con lotes grandes; el trabajo de pieza única apunta al temple por inducción.
4. Patrón de carga: para impacto severo, la cementación desarrolla tensiones de compresión favorables en la superficie; para cargas medias constantes, el temple por inducción es suficiente.
5. Disponibilidad de material: el 20CrMnTi es fácil de conseguir localmente; las forjas de 42CrMo son económicas y de obtención sencilla.
6. Documentación: cuando se especifican informes de gradiente de dureza y metalográficos, utilice hornos de cementación de atmósfera controlada.

Capacidad de PinyiGear

PinyiGear aporta 13 años de experiencia en la fabricación de componentes de transmisión y realiza el tallado de engranajes junto con el tratamiento térmico bajo un mismo techo:

• Rango de módulo M0.5–M12, OD máx. Φ600 mm
• Precisión del diente DIN 5–8

También están disponibles engranajes sinfín, cremalleras y toda la gama de capacidades, con el paquete material–proceso–precisión adaptado a su ciclo de trabajo.

¿Busca orientación y precios sobre tratamiento térmico? Contacte con el equipo técnico de PinyiGear para una evaluación sin cargo que abarca la elección del material, el diseño de la profundidad de capa y el coste de mecanizado. dgpinyi.com sitio en inglés

En una línea: la vida útil de un engranaje es mitad material y mitad tratamiento térmico. Elija el proceso correcto y controle los parámetros de cerca, y el material dará todo lo que tiene.