Cómo seleccionar materiales para engranajes: límites de aplicación de 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo y 17CrNiMo6

Conclusión clave: Para seleccionar el material de un engranaje, primero se define la ruta de tratamiento térmico y luego el tipo de acero. Los engranajes de velocidad media-baja y carga media siguen la ruta de bonificado; el 40Cr (HB 260–300 después del bonificado) es suficiente; el 42CrMo (HB 280–320) se reserva para piezas de gran sección y alta carga. Los engranajes de alta carga que requieren endurecimiento superficial siguen cementación y temple; el 20CrMnTi puede alcanzar HRC 58–62 en la superficie y HRC 30–42 en el núcleo. Para engranajes de precisión de módulo pequeño y requisitos estrictos de deformación puede considerarse la nitruración con 38CrMoAl, con una dureza superficial de aproximadamente HV 950–1100. Para piezas en bruto de la misma especificación, el costo del acero cementado es aproximadamente 1.3–1.5 veces el del acero bonificado; en esencia, la selección del material consiste en cambiar costo por vida a fatiga.

I. Primero se define la ruta de tratamiento térmico; solo entonces el material tiene sentido#

El grado de acero por sí solo no determina la calidad de un engranaje; lo que la determina es el grado de acero + el tratamiento térmico. Un mismo 40Cr, con bonificado o con temple superficial, sigue dos rutas distintas; el rendimiento puede diferir en más del doble. Tres rutas principales:

• Bonificado (Quenching and Tempering): después del temple se realiza revenido a alta temperatura para obtener una estructura de sorbita revenida; la dureza suele ser de HB 240–320, ofrece un equilibrio entre resistencia y tenacidad, y es adecuado para engranajes de velocidad media-baja que no exigen alta dureza superficial.
• Cementación y temple (Carburizing and Quenching): el acero de bajo carbono se cementa a 920–950°C y luego se templa; la capa superficial es martensita de alto carbono y el núcleo es una estructura tenaz de bajo carbono. Superficie dura, núcleo tenaz, apto para engranajes de alta carga con altas tensiones de contacto.
• Nitruración (Nitriding): a aproximadamente 500–570°C, en una atmósfera que contiene nitrógeno, se hace difundir átomos de nitrógeno en la superficie para formar una capa endurecida de nitruros. La temperatura de proceso es baja y la deformación es pequeña, pero la capa endurecida es delgada (normalmente 0.3–0.6 mm), adecuada para casos de módulo pequeño, alta precisión y sin rectificado de dientes. Orden de selección: primero calcular la tensión de contacto en el flanco del diente y la tensión de flexión en la raíz del diente; determinar si se requiere endurecimiento superficial; si se requiere, elegir entre acero cementado y acero de nitruración.

II. Límites de aplicación de cuatro tipos comunes de acero para engranajes#

Acero bonificado: 40Cr y 42CrMo#

El 40Cr es un acero bonificado para engranajes de gran consumo en China; es económico y fácil de adquirir. La templabilidad del 42CrMo es mejor que la del 40Cr; incluso con secciones grandes, el núcleo puede endurecerse por temple. Se usa habitualmente en engranajes de eje de gran módulo y gran diámetro. Para engranajes de carga media con módulo inferior a 8 y ancho de diente no muy grande, el 40Cr bonificado suele ser suficiente.

Acero cementado: 20CrMnTi y 17CrNiMo6#

El 20CrMnTi tiene templabilidad media; el temple en aceite ya permite alcanzar la dureza requerida. Se usa bastante en engranajes de alta carga de módulo pequeño y medio en China; es muy común en transmisiones automotrices y en proyectos de engranajes personalizados . El 17CrNiMo6 tiene buena templabilidad y alta tenacidad en el núcleo; es adecuado para aplicaciones de módulo grande y cargas de impacto evidentes, y también cuesta un nivel más.

Acero de nitruración: 38CrMoAl#

Después de la nitruración, el 38CrMoAl presenta alta dureza superficial y poca deformación; normalmente ya no se rectifican los dientes después de la nitruración. La desventaja es que la capa endurecida es delgada y su capacidad de resistencia a la fatiga por contacto es limitada; no soporta cargas elevadas en el flanco del diente. El requisito para usarlo es que la tensión de contacto pueda verificarse mediante cálculo.

III. Si el material se elige mal, la falla llegará primero#

Tres casos reales que hemos visto:

1. Cambiar 20CrMnTi por 40Cr. El flanco del engranaje de salida del reductor presentó picado; aparecieron picaduras después de aproximadamente 2000 horas de funcionamiento. El flanco bonificado de 40Cr tenía HB 285; su resistencia a la fatiga por contacto es inferior a la de una capa cementada. Este resultado estaba en realidad dentro de lo previsto; el problema fue que no se calculó la tensión de contacto al seleccionar el material en el plano.
2. Usar cementación con 20CrMnTi en engranajes de gran módulo. En un engranaje de módulo 12 y ancho de diente 120 mm, la dureza del núcleo solo alcanzó HRC 25–28, inferior al HRC 30 requerido; la resistencia a flexión de la raíz del diente fue insuficiente y aumentó el riesgo de rotura del diente. El 20CrMnTi tiene templabilidad media; con secciones grandes, el núcleo no se endurece por temple, por lo que en este caso debe cambiarse a 17CrNiMo6.
3. 40Cr solo bonificado sin temple superficial, desgaste del flanco del diente. En flancos con alta velocidad de rotación y deslizamiento específico elevado, la dureza del bonificado no resiste el desgaste; tras cambiar a temple superficial por alta frecuencia, la dureza del flanco alcanzó HRC 45–52 y el problema de desgaste desapareció. Si el material se elige mal, ningún ajuste posterior del proceso podrá compensarlo.

IV. La información del material en el plano debe estar completa#

En un plano de engranaje aceptable, la sección de material debe indicar al menos tres cosas: grado de acero, método de tratamiento térmico y rango de dureza. Si solo se escribe “40Cr” sin indicar el tratamiento térmico, el proveedor lo hará según su propio criterio y en la inspección de recepción cada parte defenderá su interpretación. Al comprar, exija que el acero incluya certificado de calidad; revise especialmente el número de colada, la composición química y la macroestructura; la norma aplicable suele ser GB/T 3077. Para un mismo grado de acero, la banda de templabilidad varía entre acerías; en piezas de producción en serie se recomienda fijar una acería. Experiencia práctica: Cuando realizamos mecanizado de engranajes de precisión , verificamos tres cosas en la etapa de revisión y aprobación del plano: si la tensión de contacto del flanco del diente supera el valor admisible del material, si la templabilidad es suficiente para el tamaño de sección correspondiente al módulo y al ancho del diente, y si los requisitos de dureza y las posiciones de inspección están claramente especificados. La mayoría de los reprocesos no son problemas de mecanizado, sino de selección de material y de especificación en el plano. Para las piezas cementadas insistimos en realizar probetas testigo procesadas con cada lote, medir el CHD y la dureza superficial, y conservar los datos en el informe para que, si surge un problema después, se pueda rastrear hasta el lote de horno. Si necesita apoyo para la selección de materiales, consulte categorías de productos de engranajes ; si desea conocer nuestra capacidad de proceso, vea página de capacidades de proceso . Geyon Transmission — Soluciones de transmisión y mecanizado de engranajes de precisión | Conozca nuestras capacidades de proceso | Vea las categorías de productos de engranajes