Profundidad de capa endurecida en engranajes cementados
Guía sobre la profundidad efectiva de cementación (CHD) en engranajes: relación con el módulo, dureza del núcleo, criterio de 550 HV y acero 20CrMnTi.
Cómo determinar la profundidad de capa endurecida en engranajes cementados y templados: relación de coincidencia entre módulo, CHD y dureza del núcleo
Conclusión clave: la cementación y el temple son la ruta principal de tratamiento térmico para engranajes de cargas pesadas. La profundidad efectiva de capa endurecida (CHD, distancia perpendicular desde el flanco del diente hasta el punto con dureza de 550 HV) normalmente se toma como 0.15–0.25 veces el módulo: para módulos inferiores a 2.5, se toman 0.6–0.9 mm; para módulos de 5–10, se toman 1.2–1.8 mm. Si la capa es poco profunda, el flanco del diente se aplasta; si es demasiado profunda, aumenta el riesgo de fractura frágil. La combinación típica para engranajes de 20CrMnTi es superficie HRC 58–62 y núcleo HRC 30–42.
1. ¿Qué hace exactamente la cementación y el temple?#
Cementación y temple (Carburizing and Quenching): calentar un engranaje de acero aleado de bajo carbono a la zona austenítica (920–950°C), hacer que los átomos de carbono penetren en la superficie en una atmósfera carburante y después enfriar rápidamente, obteniendo una capa superficial de martensita de alto carbono y un núcleo tenaz de bajo carbono. La capa superficial dura y el núcleo tenaz responden exactamente a las dos necesidades: resistencia al desgaste del flanco del diente y resistencia a la flexión del pie del diente. La secuencia suele ser: cementación → temple → revenido a baja temperatura (160–200°C, 2–3 h). El revenido sirve para eliminar las tensiones de temple y estabilizar la microestructura; después del revenido, la dureza superficial apenas disminuye y se recupera la tenacidad del pie del diente. Los materiales típicos son 20CrMnTi, 20CrMo, 17CrNiMo6 y SAE 8620. En China, el material más utilizado para engranajes de módulo pequeño y medio es el 20CrMnTi, de templabilidad media; con temple en aceite ya se alcanza la dureza requerida.
2. Cómo determinar la profundidad efectiva de capa endurecida CHD#
Profundidad efectiva de capa endurecida (CHD, Case Hardening Depth): distancia desde la superficie de la pieza hacia el interior, perpendicularmente, hasta el punto en que la dureza Vickers desciende a 550 HV, en mm. Es más práctica que la “profundidad total de cementación”, porque solo la parte con dureza suficiente soporta realmente la carga de contacto. Fórmula empírica habitual en ingeniería: CHD ≈ 0.15–0.25 × módulo normal.
| Módulo normal mn (mm) | Rango recomendado de CHD (mm) | Aplicación típica |
|---|---|---|
| ≤ 2.5 | 0.6 – 0.9 | Caja de cambios de automóvil, reductores pequeños |
| 2.5 – 5 | 0.9 – 1.3 | Reductores industriales generales |
| 5 – 10 | 1.2 – 1.8 | Cajas de engranajes para cargas pesadas, accionamientos de laminadores |
| > 10 | 1.6 – 2.5 | Engranajes grandes para minería y molinos de cemento |
| Consecuencia directa de una capa demasiado poco profunda: la tensión de contacto de Hertz supera la capacidad de carga de la capa endurecida y aparece descascarillado por “aplastamiento” en el flanco del diente. Si la capa es demasiado profunda, cambia la distribución de tensiones residuales y aumenta la tendencia a la fractura frágil del pie del diente. Por eso, no es mejor cuanto más profunda. |
3. La dureza superficial y la dureza del núcleo deben combinarse#
| Elemento | Rango típico | Descripción |
|---|---|---|
| Dureza superficial | HRC 58–62 (aprox. 650–700 HV) | Resistencia al desgaste, al gripado y a las picaduras |
| Dureza del núcleo | HRC 30–42 | Resistencia a la fatiga por flexión del pie del diente, con tenacidad equilibrada |
| Contenido de carbono superficial | 0.75–1.05% C | Garantiza la dureza de la martensita y controla la austenita residual |
| La dureza del núcleo es un aspecto que se pasa por alto con facilidad en el diseño. Si el núcleo es demasiado alto (más de HRC 45), la reserva de plasticidad durante la flexión del pie del diente es insuficiente y, una vez que se inicia una grieta, esta se propaga rápidamente; si el núcleo es demasiado bajo (menos de HRC 28), la resistencia del pie del diente no es suficiente y disminuye la vida a fatiga por flexión. Para el 20CrMnTi, la dureza del núcleo en estado normalizado o bonificado suele situarse en HRC 30–38. |
4. Parámetros de proceso y defectos comunes#
Temperatura de cementación 930 ± 10°C, potencial de carbono 0.75–1.05% C, tiempo según la profundidad objetivo; en carga por lotes, se necesitan aproximadamente 1–1.5 h por cada 0.1 mm (depende del tipo de horno y de la carga). El temple tiene dos rutas: temple directo (tras la cementación, enfriar a 830–850°C y templar en aceite) y temple con recalentamiento (tras la cementación, enfriar lentamente y volver a calentar para templar; el control de la deformación es mejor, pero el ciclo es más largo).
| Defecto | Manifestación | Causa principal | Contramedida |
|---|---|---|---|
| Decarburación superficial/oxidación interna | Puntos blandos en el flanco del diente, dureza insuficiente | Punto de rocío alto del gas del horno, potencial de carbono bajo | Controlar el gas del horno, aumentar el potencial de carbono |
| Grano grueso | Microestructura metalográfica gruesa | Temperatura de cementación demasiado alta, tiempo demasiado largo | Controlar la temperatura; normalizar si es necesario |
| Deformación fuera de tolerancia | Error de dirección del diente 0.02–0.08 mm | Carga no uniforme en el horno, tensiones de temple elevadas | Carga simétrica en el horno, dejar margen de rectificado |
5. Cómo se inspecciona la profundidad de capa#
- Método metalográfico: tras el ataque, medir directamente los límites de carburos o martensita; es rápido, pero depende del grado de ataque.
- Método de gradiente de dureza (método de arbitraje): medir la dureza perpendicularmente desde la superficie, trazar la curva HV–profundidad y tomar la profundidad correspondiente a 550 HV. Las posiciones de medición suelen ser la parte media del flanco del diente y el pie del diente; los requisitos de profundidad de capa en ambos puntos pueden ser diferentes. Consejo 1: Cuando en el plano se indique “profundidad de cementación 1.0 mm”, primero confirme si se trata de CHD o de la profundidad total de cementación. La diferencia entre ambas es de 0.2–0.4 mm; omitir esta confirmación hará que el proveedor mecanice según un estándar incorrecto. Consejo 2: El margen de rectificado de dientes debe incluirse en el cálculo de la profundidad de capa. Cuando el margen de rectificado por flanco es de 0.2–0.3 mm, la capa cementada debe dejar un excedente según “CHD + margen de rectificado”; de lo contrario, después del rectificado la capa endurecida desaparece. Muchas piezas rechazadas por rectificado de dientes no se deben a un rectificado defectuoso, sino a que se dejó poca profundidad de capa. Consejo 3: Las zonas con orificios roscados, orificios de aceite y estrías deben someterse a un tratamiento de protección contra la cementación (cobreado o aplicación de recubrimiento anti-cementación, de 0.03–0.05 mm de espesor). Si se omite este paso, la rosca queda con alta dureza y fragilidad, y es fácil que se dañen los filetes de la rosca durante el montaje.
6. Para terminar#
Los parámetros de cementación y temple no se eligen de forma aislada. La profundidad de capa sigue al módulo, la dureza del núcleo sigue a la templabilidad del material y el margen de rectificado sigue a los procesos posteriores de mecanizado de engranajes de precisión . Al firmar el plano conjuntamente, definir estos tres puntos de una vez ahorra mucho más trabajo que reajustar el proceso después de un retrabajo. Si necesita apoyo para la selección de material o de proceso, puede consultar las páginas de clasificación de productos de engranajes y capacidades de proceso . Geyontech — Soluciones de transmisión y mecanizado de engranajes de precisión | Conozca nuestras capacidades de proceso | Ver clasificación de productos de engranajes