Ajuste de la profundidad de cementación a la dureza del módulo y del núcleo del engranaje

Por qué la capa endurecida debe dimensionarse, no adivinarse

La transmisión de engranajes para servicio pesado sigue dependiendo de la cementación seguida de temple como su ruta térmica predeterminada. La dimensión controlante es la profundidad efectiva de cementación, o CHD: la distancia medida perpendicularmente desde la superficie del flanco hasta que la dureza cae a 550 HV. La práctica vincula esta cifra al módulo normal, utilizando una banda de 0,15–0,25 × módulo. Eso equivale a 0,6–0,9 mm donde los módulos alcanzan 2,5, y 1,2–1,8 mm donde los módulos abarcan 5–10. Si es demasiado delgada, la tensión de contacto hertziana aplasta el flanco; si es demasiado gruesa, la raíz del diente se vuelve frágil. Un emparejamiento común de 20CrMnTi entrega 58–62 HRC en la superficie y 30–42 HRC por debajo de ella.

Qué hace el ciclo de cementación y temple

Un engranaje de acero aleado de bajo carbono se mantiene en una atmósfera rica en carbono dentro del rango austenítico, 920–950°C, para que el carbono migre hacia la capa superficial. El temple luego convierte esa piel enriquecida en martensita de alto carbono mientras el interior permanece bajo en carbono y tenaz. El desgaste, el picado y el rayado se resisten mediante la piel dura; las cargas de flexión en la raíz son soportadas por el núcleo dúctil.

Cementar, luego templar, luego revenir a 160–200°C durante 2–3 h — ese es el orden estándar. Las tensiones de temple se relajan durante el revenido, la tenacidad de la raíz regresa y la dureza superficial cede solo un poco.

Entre los aceros normalmente elegidos están 20CrMnTi, 20CrMo, 17CrNiMo6 y SAE 8620. Para módulos pequeños y medianos en China, el 20CrMnTi tiene un uso amplio: su templabilidad es moderada y el temple en aceite por sí solo es suficiente.

Elección de la profundidad efectiva de cementación

La CHD no es lo mismo que la profundidad total de cementación. Solo la zona lo suficientemente dura para mantener 550 HV soporta realmente la carga de contacto, por lo que el límite de 550 HV es el significativo.

Regla práctica: CHD ≈ 0,15–0,25 × módulo normal.

Cuando la capa es de tamaño insuficiente, la tensión de contacto supera lo que la capa puede soportar y el desprendimiento tipo colapso afecta el flanco. Cuando es de tamaño excesivo, las tensiones residuales se redistribuyen y la raíz se vuelve más propensa a la fractura frágil. Más grueso no es más seguro por defecto.

La dureza superficial y del núcleo deben especificarse juntas

La dureza del núcleo es el valor que más se pasa por alto. Una vez que supera aproximadamente 45 HRC, la raíz casi no tiene reserva plástica y cualquier grieta se propaga rápidamente. Si cae por debajo de aproximadamente 28 HRC, la resistencia de la raíz disminuye, acortando la vida a la fatiga por flexión. Con 20CrMnTi en condición normalizada o templada y revenida, el núcleo normalmente se sitúa entre 30 y 38 HRC.

Métodos de medición y precauciones prácticas

Existen dos rutas para establecer la profundidad de cementación. El ataque químico para revelar el límite de martensita o carburo es el enfoque metalográfico — rápido, pero su precisión depende de la calidad del ataque. El recorrido de gradiente de dureza es el método decisivo: la dureza se representa hacia el interior desde la superficie y se lee la profundidad a 550 HV. Las lecturas deben tomarse en la mitad del flanco y en la raíz, ya que las dos ubicaciones pueden requerir valores diferentes.

Precaución 1: Una nota en el plano que diga “profundidad de cementación 1,0 mm” es ambigua — establezca si se pretende CHD o profundidad total de cementación. La diferencia entre ellas es de 0,2–0,4 mm, y adivinar mal orienta al proveedor hacia la especificación incorrecta.

Precaución 2: El sobreespesor para rectificado debe agregarse al objetivo de cementación. Donde se eliminarán 0,2–0,3 mm por flanco, cemente a CHD más ese margen; de lo contrario, la zona endurecida desaparece durante el rectificado. Muchos engranajes rectificados desechados fueron rectificados correctamente — la capa simplemente era demasiado delgada desde el principio.

Precaución 3: Los agujeros roscados, agujeros de aceite y estrías requieren protección anticementación, como cobreado o pintura de enmascaramiento a 0,03–0,05 mm. Sin ella, las roscas se endurecen y se vuelven frágiles, y luego se astillan durante el ensamblaje.

Ventana de proceso y defectos típicos

Un potencial de carbono de 0,75–1,05% C y una temperatura de 930 ± 10°C definen la atmósfera de cementación. La duración se establece por la profundidad objetivo y la carga del horno; en un horno por lotes, presupueste aproximadamente 1–1,5 h por cada 0,1 mm. El temple puede seguir uno de dos caminos. El temple directo enfría desde la temperatura de cementación hasta 830–850°C antes del temple en aceite. El temple con recalentamiento enfría lentamente primero, luego reausteniza y templa — la distorsión se controla mejor, pero el ciclo es más largo.

Puntos finales

El módulo gobierna la profundidad de cementación; la templabilidad del material gobierna la dureza del núcleo; el paso posterior de mecanizado de engranajes de precisión gobierna el margen de rectificado. Fije los tres cuando se apruebe el plano y se evitará en gran medida el retrabajo posterior. Las preguntas sobre materiales y procesos pueden dirigirse a través de las páginas de gama de productos de engranajes y nuestras capacidades.

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