Comparación de aceros para engranajes: 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo y 17CrNiMo6

La ruta de tratamiento térmico va primero; el nombre del grado va segundo

Ningún grado de acero por sí solo determina el rendimiento de un engranaje. Lo que lo determina es la combinación de un grado con un tratamiento térmico. Tome una barra de 40Cr: temple y revenido, o endurezca superficialmente, y los dos resultados difieren en más del doble.

Tres rutas representan la mayor parte del trabajo:

• Temple y revenido (Q&T) — la pieza se templa y luego se mantiene a temperatura elevada para producir sorbita revenida. HB 240–320 es la ventana de dureza habitual. La ductilidad y la resistencia se obtienen al mismo tiempo, suficiente para engranajes de velocidad lenta y media cuyos flancos no necesitan ser especialmente duros.
• Cementación y temple — un grado de bajo carbono se mantiene a 920–950°C en una atmósfera rica en carbono y luego se templa. El carbono eleva el flanco a martensita mientras el interior permanece bajo en carbono y dúctil: una piel dura sobre un núcleo blando. Los engranajes sometidos a esfuerzos de contacto severos son la aplicación natural.
• Nitruración — a aproximadamente 500–570°C, un gas con amoníaco introduce nitrógeno en la superficie, creando una zona endurecida por nitruros. La distorsión se mantiene baja porque la temperatura es baja, pero la capa es superficial (0,3–0,6 mm en la práctica normal), lo que la limita a engranajes de precisión de módulo pequeño que no necesitan rectificado final.

Secuencia de decisión: calcule primero la tensión de flexión en la raíz y la tensión de contacto en el flanco. Eso le dirá si la superficie debe endurecerse. Si debe hacerlo, la siguiente pregunta es acero para cementación o acero para nitruración.

En resumen: defina la ruta de tratamiento térmico antes del grado. Los engranajes de velocidad lenta y media bajo carga moderada suelen resolverse con 40Cr templado y revenido (HB 260–300 después de Q&T); el 42CrMo (HB 280–320) toma el relevo donde las secciones son más grandes y pesadas. Donde un flanco duro es obligatorio bajo carga pesada, cemente: el 20CrMnTi da HRC 58–62 en la superficie sobre un núcleo de HRC 30–42. Los engranajes de precisión de módulo pequeño, donde la distorsión es la preocupación, se adaptan a la nitruración de 38CrMoAl, con dureza superficial cercana a HV 950–1100. Sobre una pieza en bruto idéntica, un acero de cementación cuesta aproximadamente 1,3–1,5× el costo de un acero Q&T — elegir un material es esencialmente pagar más para ganar vida a la fatiga.

Adaptar los aceros para engranajes comunes al trabajo

Estos costos asumen el mismo tamaño de pieza en bruto y dejan el tratamiento térmico fuera de la cifra. Lo que compra la prima de un acero de cementación es la vida a la fatiga de contacto: a igual carga, un flanco cementado típicamente resiste el picado un grado mejor que un flanco Q&T.

40Cr y 42CrMo: la pareja de temple y revenido

En China, el 40Cr es el acero para engranajes Q&T que se ve con más frecuencia — barato y fácilmente disponible. El 42CrMo endurece a mayor profundidad, por lo que las secciones pesadas se endurecen completamente; esa propiedad es la razón por la que los engranajes de módulo grande y de eje de gran diámetro se cortan de él. Cuando la carga es moderada, el módulo está por debajo de 8 y el ancho de cara es limitado, el 40Cr Q&T generalmente hace el trabajo.

20CrMnTi y 17CrNiMo6: la pareja de cementación

La templabilidad del 20CrMnTi es solo moderada, pero un temple en aceite aún lo lleva a la dureza requerida — la razón por la que domina los engranajes de servicio pesado de módulo pequeño y medio en China y aparece repetidamente en transmisiones automotrices y trabajos de engranajes personalizados. Un endurecimiento más profundo y un núcleo más tenaz son lo que ofrece el 17CrNiMo6, que se adapta a módulos grandes y cargas de impacto fuertes, a un precio más alto.

38CrMoAl: la opción de nitruración

Una pieza de 38CrMoAl nitrurada combina alta dureza superficial con distorsión mínima, y el rectificado final generalmente es innecesario. La capa superficial poco profunda es el inconveniente: la capacidad de fatiga de contacto es limitada, por lo que las cargas pesadas en el flanco quedan fuera de alcance. Úselo solo donde el cálculo de tensión de contacto se mantenga por debajo del límite.

Un plano completo indica el material en su totalidad

El bloque de material de un plano de engranaje terminado lleva tres entradas: grado de acero, tratamiento térmico, rango de dureza. Deje fuera el tratamiento térmico y escriba solo “40Cr”, y el proveedor se queda adivinando mientras la aceptación se convierte en una disputa.

Obtenga un certificado de colada del proveedor de acero — número de colada, composición química, macroestructura — normalmente según GB/T 3077. Debido a que las bandas de templabilidad difieren de una acería a otra incluso para un mismo grado, fije una sola acería para la producción en serie.

Notas prácticas: en la aprobación del plano durante nuestra etapa de mecanizado de precisión de engranajes, se hacen tres verificaciones: si la tensión de contacto en el flanco permanece por debajo del valor admisible para el material, si el tamaño de sección implícito por el módulo y el ancho de cara cae dentro de la templabilidad, y si los requisitos de dureza y las posiciones de medición están especificados. El retrabajo generalmente se remonta al material o a la anotación, no al mecanizado. Cada lote cementado que ejecutamos lleva una probeta testigo; la CHD y la dureza superficial se miden y los registros se archivan, de modo que una falla posterior puede rastrearse hasta su colada. Para revisar opciones de selección, explore la gama de productos de engranajes; la información de procesos está en nuestra página de capacidades.

El material incorrecto se manifiesta como falla

Nuestros registros contienen tres trabajos instructivos:

1. 40Cr usado donde se especificó 20CrMnTi. El picado apareció en un engranaje de salida de reductor después de aproximadamente 2.000 horas de funcionamiento. La resistencia a la fatiga de contacto de un flanco de 40Cr Q&T a HB 285 está por debajo de la de una capa cementada, por lo que el resultado era predecible — nadie había realizado una verificación de tensión de contacto en el plano.
2. Un engranaje de módulo grande cementado en 20CrMnTi. La dureza del núcleo en un engranaje de módulo 12 con 120 mm de ancho de cara resultó de solo HRC 25–28, por debajo del requisito de HRC 30; la resistencia a la flexión en la raíz era por lo tanto insuficiente y el riesgo de fractura del diente aumentó. Las secciones gruesas no se endurecen completamente en 20CrMnTi; el trabajo requería 17CrNiMo6.
3. 40Cr Q&T sin endurecimiento superficial, flanco desgastado. Donde los flancos se mueven rápido y las relaciones de deslizamiento son altas, la dureza Q&T no ofrece defensa contra el desgaste. El endurecimiento superficial por inducción a HRC 45–52 le puso fin.

Nada hecho aguas abajo puede compensar un material que estuvo mal desde el principio.

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