Elegir entre flancos de dientes de engranaje blandos y duros: cómo el umbral de 350 HBW determina el material, el tratamiento térmico y la ruta de proceso

Orientación rápida: fije primero la dureza del flanco del diente, luego seleccione el acero. En la práctica diaria, 350 HBW marca la división entre flancos blandos y duros. En el lado blando, se utiliza la ruta de temple y revenido: acero 45 a aproximadamente 217–255 HBW, 40Cr a aproximadamente 241–286 HBW, 42CrMo a aproximadamente 269–302 HBW, y la ruta es “fresar los dientes primero, tratar térmicamente después”, de modo que la distorsión del tratamiento térmico nunca arruina la forma del diente terminado y el costo permanece moderado. En el lado duro, se aplica cementación y temple: el 20CrMnTi da 58–62 HRC en la superficie con un núcleo mantenido a 30–45 HRC, y la ruta se invierte a “tratar térmicamente primero, rectificar los dientes después”, añadiendo pasos y gastos mientras permite un engranaje más compacto y ligero con la misma carga. La cifra de 350 HBW es una convención de la industria, no un valor escrito en ninguna norma; en servicio debe equilibrarse con la velocidad, la carga, el impacto y los límites de envolvente.

1. Qué hace que la cementación y el temple produzcan una piel dura sobre un núcleo dúctil

El punto de partida para la cementación y el temple es el acero de bajo carbono (carbono 0.15%–0.25%), que se sumerge en una atmósfera carbonosa para que el carbono penetre en la capa superficial, después de lo cual se templa y se revenido a baja temperatura. Un engranaje, por lo tanto, termina con dos propiedades contrastantes: el carbono superficial aumenta a aproximadamente 0.8%, y tras el temple la dureza alcanza 58–62 HRC, proporcionando resistencia al desgaste y resistencia a la presión; el nivel de carbono del núcleo queda esencialmente intacto, con una dureza de 30–45 HRC, suministrando resistencia y resistencia a la fractura por impacto.

En el 20CrMnTi, tanto el Ti como el Mn mejoran la templabilidad, por lo que incluso las secciones más gruesas pueden endurecerse completamente. Para engranajes de carga media, la profundidad efectiva de la capa cementada normalmente adoptada es de 0.8–1.5 mm: una profundidad insuficiente permite que la capa endurecida colapse bajo carga, mientras que una profundidad excesiva aumenta el costo y de hecho reduce la tenacidad al impacto.

La cementación ofrece una ventaja adicional: la transformación martensítica en la capa superficial deja tensión residual de compresión, por lo que la fatiga por flexión en la raíz del diente se comporta de manera más predecible que en las piezas endurecidas por inducción de igual dureza. Esa es la razón por la que las transmisiones expuestas al impacto —automóviles, maquinaria de construcción— casi siempre especifican acero cementado.

2. Materiales de engranajes y valores de dureza de un vistazo

• Material 45: Temple y revenido
  • Dureza de la superficie del diente: 217–255 HBW
  • Uso típico: Baja velocidad y carga ligera, engranajes generales
• Material 40Cr: Temple y revenido
  • Dureza de la superficie del diente: 241–286 HBW
  • Uso típico: Velocidad media y carga media, máquinas herramienta, reductores de uso general
• Material 42CrMo: Temple y revenido
  • Dureza de la superficie del diente: 269–302 HBW
  • Uso típico: Módulo grande, carga pesada, mayor resistencia requerida
• Material 40Cr: Temple superficial
  • Dureza de la superficie del diente: 45–55 HRC
  • Uso típico: Carga media, resistencia al desgaste requerida
• Material 20CrMnTi: Cementación y temple
  • Dureza de la superficie del diente: Superficie 58–62 HRC, núcleo 30–45 HRC
  • Uso típico: Alta velocidad y carga pesada, con impacto (como transmisiones automotrices)
• Material QT600-3: Tal como se coló/normalizado
  • Dureza de la superficie del diente: 190–270 HBW
  • Uso típico: Engranajes grandes de baja velocidad, piezas de carcasa integradas

Los valores enumerados anteriormente son rangos habituales de manual; el plano y el acuerdo técnico rigen las cifras finales.

3. La decisión inicial: flanco blando o flanco duro

Un engranaje de flanco blando es aquel cuya dureza superficial después del temple y revenido o normalizado permanece por debajo de 350 HBW. Su superficie es blanda y depende del rodaje para desarrollar el contacto; la ruta es “fresar los dientes primero, tratar térmicamente después”, por lo que la distorsión del tratamiento térmico no deteriora la precisión de la forma del diente ya cortada, y el costo se mantiene moderado.

Un engranaje de flanco duro tiene una dureza superficial superior a 350 HBW (o superior a 45 HRC). Su superficie es dura y su capacidad de carga es alta; con la misma carga, el engranaje puede construirse más pequeño y ligero. La ruta, sin embargo, se invierte —tratar térmicamente primero, rectificar los dientes después—, lo que añade operaciones y aumenta el costo.

La línea de 350 HBW es una convención industrial ampliamente aplicada más que una cifra definida por alguna norma. Los verdaderos impulsores de la decisión son la velocidad, la carga, la presencia de impacto y el espacio de instalación disponible.

4. Errores comunes que evitar

1. Un plano que solo da el grado del acero y no la dureza está incompleto. El mismo 40Cr puede seguir dos rutas, temple y revenido o temple superficial, y la dureza del flanco difiere en casi un factor de dos (241–286 HBW frente a 45–55 HRC), por lo que la ruta de proceso, la cotización y el plazo de entrega divergen por completo.
2. Las piezas cementadas deben tener un margen de rectificado adecuado reservado de antemano. La distorsión durante la cementación y el temple es inevitable, y el rectificado de dientes es la garantía final de precisión. El margen para las piezas cementadas es generalmente mayor que para las piezas templadas y revenidas (comúnmente 0.2–0.3 mm por lado para módulo medio), y la capa endurecida no debe ser rectificada hasta desaparecer.
3. Para producción de prueba en lotes pequeños, no recurra inmediatamente al 20CrMnTi. Un ciclo de cementación más rectificado de dientes se mide en semanas; cuando la carga es modesta, el 40Cr o incluso el acero 45 templado y revenido servirán y cuestan menos. Comprar material caro no es un logro; comprar el material correcto lo es.

5. Datos de material inequívocos son la base para un precio inequívoco

Un plano de engranaje calificado debe llevar al menos tres elementos en la columna de material: grado del acero, método de tratamiento térmico y rango de dureza. Con esos tres resueltos, hay una base para discutir la ruta de proceso y el costo — engranajes cilíndricos rectos y helicoidales se fabrican según planos, soporte de mecanizado abarca fresado basto, fresado de acabado, cepillado de engranajes y rectificado de dientes, y las capacidades de tratamiento térmico e inspección aparecen en inspección y sistema de calidad.

Envíe el plano —módulo, número de dientes, grado de precisión, requisitos de tratamiento térmico, condiciones de operación— y el equipo de ingeniería responderá tras la revisión del plano con recomendaciones de material y tratamiento térmico, ruta de proceso y cotización. Contacte a Pinyi Electromechanical.