Comparación de los 5 mejores materiales para engranajes

Los engranajes son los héroes anónimos del mundo de la mecánica, que trabajan silenciosamente entre bastidores para que las máquinas funcionen sin problemas. Pero, ¿se ha preguntado alguna vez de qué materiales están hechos estos componentes críticos? En este artículo, nos sumergiremos en el fascinante mundo de los materiales de acero para engranajes, explorando las propiedades y características que los hacen ideales para diversas aplicaciones. Si es usted ingeniero, mecánico o simplemente siente curiosidad por el funcionamiento interno de las máquinas, este artículo le proporcionará valiosos conocimientos sobre el mundo de los materiales para engranajes.

Índice

A la hora de seleccionar el material de los engranajes y su tratamiento térmico, es esencial tener en cuenta las condiciones de trabajo, como el modo de transmisión, las propiedades y el tamaño de la carga, la velocidad de transmisión y los requisitos de precisión.

Además, deben tenerse en cuenta factores como la templabilidad del acero, los requisitos de templado de la superficie del diente y la compatibilidad de los valores de material y dureza del par de ruedas dentadas en función del módulo de ruedas dentadas y el tamaño de la sección.

Los engranajes pueden fabricarse con distintos materiales, como hierro fundido, acero, materiales pulvimetalúrgicos, aleaciones no ferrosas (como aleaciones de cobre) y materiales no metálicos. El acero es el material más utilizado para los engranajes y puede clasificarse en acero con bajo contenido de carbono, acero con contenido medio de carbono, acero con alto contenido de carbono o acero aleado.

Un tratamiento térmico adecuado, como la normalización, el recocido, el temple y revenido, el carburizado, la nitruración o el temple superficial, puede mejorar significativamente el rendimiento del material, la capacidad de corte, la calidad de procesamiento y la vida útil de los engranajes.

A continuación se indican las características y las condiciones aplicables de diversos materiales de acero y métodos de tratamiento térmico para engranajes:

1. Acero templado y revenido

Calidades de acero

  • 45, 35SiMn, 42SiMn, 37SiMn2MoV, 40MnB, 45MnB, 40Cr, 45Cr, 35CrMo, 42CrMo, etc.

Proceso 1: Templado o normalizado

  1. Fuerza y resistencia: Los engranajes de acero templado y revenido presentan una buena resistencia y tenacidad, normalmente con una dureza de 220-300 HBW.
  2. Limitaciones de la herramienta: Si la dureza de un piñón templado no puede mejorarse debido a las limitaciones de la herramienta, puede utilizarse un engranaje grande normalizado para mantener la diferencia de dureza entre el engranaje grande y el pequeño. Sin embargo, los engranajes normalizados tienen menor resistencia que los templados.
  3. Corte fino: El corte fino puede utilizarse para eliminar la distorsión causada por el tratamiento térmico y mantener la precisión de los engranajes.
  4. Relación coste-eficacia: Las ruedas dentadas normalizadas no requieren tratamientos térmicos especiales ni equipos de acabado de la superficie de los dientes, por lo que su fabricación es relativamente barata.
  5. Capacidad de carga: Los engranajes normalizados tienen una menor dureza de la superficie del diente, lo que puede limitar su capacidad portante.

Condiciones aplicables: Los engranajes normalizados se utilizan ampliamente para aplicaciones generales de velocidad media y baja con requisitos de baja resistencia y precisión, así como para engranajes de gran tamaño difíciles de tratar térmicamente y acabar.

Proceso 2: Enfriamiento superficial (Enfriamiento por inducción, Enfriamiento por llama)

  1. Dureza y resistencia: Los engranajes templados superficialmente tienen una elevada dureza de la superficie del diente, resistencia a las picaduras y resistencia al desgaste. La superficie templada produce tensiones residuales, mejorando en gran medida la resistencia de la raíz del diente. El rango general de dureza de la superficie del diente es de 45-55 HRC para el acero aleado y de 40-50 HRC para el acero al carbono.
  2. Fuerza del núcleo: El tratamiento de temple y revenido puede realizarse antes del temple superficial para mejorar aún más la resistencia del núcleo.
  3. Eficacia: El tiempo de endurecimiento por inducción es corto.
  4. Coherencia: La profundidad y la dureza de la capa de cementación pueden variar a lo largo de la superficie del diente.
  5. Riesgo de grietas: El calentamiento y enfriamiento rápidos pueden provocar grietas.

Condiciones aplicables: Los engranajes templados superficialmente se utilizan mucho en aplicaciones de cargas elevadas y volúmenes reducidos.

2. Acero de cementación

Calidades de acero

  • 20Cr, 20CrMnTi, 20CrMnMo, 20CrMo, 22CrMo, 20CrNiMo, 18Cr2Ni4W, 20Cr2Ni4A, etc.

Proceso: Cementación y temple

  1. Dureza y resistencia: Los engranajes carburizados y templados tienen una elevada dureza de la superficie del diente, resistencia a las picaduras y resistencia al desgaste. La superficie endurecida produce tensiones residuales, mejorando en gran medida la resistencia de la raíz del diente. El rango general de dureza de la superficie del diente es de 56-63 HRC.
  2. Rendimiento de corte: Los engranajes carburizados presentan un buen rendimiento de corte.
  3. Distorsión y precisión: La carburación y el temple provocan importantes distorsiones en el tratamiento térmico, lo que requiere un rectificado posterior al tratamiento térmico para lograr una gran precisión. Esto aumenta el tiempo y el coste de procesamiento.

Condiciones aplicables: Los engranajes carburizados y templados se utilizan ampliamente para engranajes medianos y pequeños con gran capacidad de carga, resistencia al impacto, precisión y pequeño volumen.

3. Acero nitrurado

Calidades de acero

  • 38CrMoAlA, 30CrMoSiA, 25Cr2MoV, etc.

Proceso: Tratamiento de nitruración

  1. Dureza y resistencia: Los engranajes nitrurados tienen una dureza superficial del diente, una resistencia a la corrosión por picaduras y una resistencia al desgaste muy elevadas. El núcleo tiene una buena tenacidad. El acero de medio carbono suele templarse y revenirse primero para mejorar la resistencia del núcleo.
  2. Distorsión mínima: Debido a las bajas temperaturas de calentamiento, la distorsión del tratamiento térmico es mínima, y los dientes no requieren rectificado después del tratamiento de nitruración.
  3. Espesor de capa: La capa endurecida es fina, lo que hace que el engranaje sea menos adecuado para cargas de impacto y con menor capacidad portante que los engranajes carburizados y templados.
  4. Coste y tiempo: El tratamiento de nitruración lleva más tiempo y es más caro que otros tratamientos térmicos.

Condiciones aplicables: Los engranajes nitrurados son adecuados para aplicaciones de cargas grandes y estables y para situaciones en las que no se dispone de equipos de acabado de la superficie del diente, pero se requieren superficies del diente duras.

4. Acero fundido

Calidades de acero

  • ZG310-570, ZG340-640, ZG42SiMn, ZG50SiMn, ZG40Cr1, ZG35CrMnSi, etc.
  1. Formas complejas: Este proceso es adecuado para fabricar engranajes grandes con formas complejas.
  2. Fuerza: La resistencia de los engranajes fabricados con este proceso es inferior a la del acero templado y revenido del mismo grado y tratamiento térmico.
  3. Defectos de fundición: Este proceso puede provocar defectos de fundición.

Condiciones aplicables: Este proceso es adecuado para engranajes grandes que no pueden forjarse.

5. Hierro fundido

Calidades de acero

  • Varios tipos de fundición gris, fundición dúctil, fundición maleable, etc.
  1. Coste: El hierro fundido tiene un bajo coste de material.
  2. Resistencia al desgaste: Los engranajes de fundición presentan una buena resistencia al desgaste.
  3. Formas complejas: Este proceso es adecuado para fabricar engranajes grandes con formas complejas.
  4. Tecnologías: El hierro fundido dispone de buenas tecnologías de fundición y corte.
  5. Capacidad de carga: Los engranajes de fundición tienen una capacidad de carga inferior a la de otros materiales.

Condiciones aplicables: La fundición gris y la fundición maleable son adecuadas para engranajes de baja velocidad, carga ligera y sin impacto. La fundición dúctil puede utilizarse para engranajes con grandes cargas e impactos.

Al conocer las propiedades y las aplicaciones adecuadas de los distintos materiales de los engranajes y los procesos de tratamiento térmico, los ingenieros pueden tomar decisiones informadas para optimizar el rendimiento y la longevidad de los engranajes en diversas aplicaciones industriales.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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