01 Mecanismos centrales del tratamiento térmico que afectan la vida útil de los engranajes

• Resistencia a la fatiga por contacto de la superficie del diente: Resistencia a las picaduras (hoyuelos) y al desconchado bajo tensión de contacto cíclica.
• Resistencia a la fatiga por flexión de la raíz del diente: Resistencia a la fisuración por fatiga y a la fractura en la raíz bajo tensión de flexión cíclica.
• Dureza superficial y resistencia al desgaste: Capacidad para resistir la pérdida de material en la superficie del diente bajo fricción de deslizamiento y rodadura.
• Tenacidad y resistencia del núcleo: Proporcionar un soporte resistente para la capa superficial dura para evitar el aplastamiento o la fractura del diente bajo cargas pesadas.

1. Temple y Revenido (Tratamiento de Modulación)

• Proceso: Temple + revenido a alta temperatura.
• Mecanismo: Se dirige principalmente a las propiedades del núcleo de los engranajes, produciendo una estructura de sorbita revenida que equilibra la alta resistencia y la buena tenacidad. Un núcleo fuerte y resistente actúa como los cimientos de un edificio, proporcionando un soporte sólido para las capas posteriores de endurecimiento superficial. Una resistencia del núcleo insuficiente puede provocar la deformación plástica de la capa superficial dura bajo cargas pesadas, lo que provoca fisuras o indentaciones en la superficie.
• Contribución a la vida útil: Mejora la resistencia y tenacidad general de los engranajes, especialmente la resistencia a la fatiga por flexión de la raíz del diente, lo que permite que los engranajes resistan cargas de impacto significativas. Por lo general, es un pretratamiento térmico (aplicado a las piezas en bruto) para engranajes cementados y nitrurados.

2. Endurecimiento superficial (por ejemplo, endurecimiento por inducción, endurecimiento por llama)

• Proceso: Calienta rápidamente la superficie del engranaje a la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento rápido para endurecer la superficie mientras se conserva la estructura y las propiedades originales del núcleo.
• Mecanismo: Forma una capa de martensita de alta dureza en la superficie del engranaje, lo que mejora significativamente la dureza superficial y la resistencia al desgaste. El endurecimiento por inducción se utiliza ampliamente debido a su rápida velocidad de calentamiento, mínima deformación y alta eficiencia.
• Contribución a la vida útil:
  • Mejora notablemente la resistencia a la fatiga por contacto de la superficie del diente y la resistencia al desgaste, resistiendo eficazmente las picaduras y el desgaste.
  • Mantiene la tenacidad del núcleo, lo que permite que los engranajes resistan impactos moderados.
   
• Limitación: Gradiente de dureza pronunciado con concentración de tensión en la interfaz entre la capa endurecida y el núcleo, lo que podría provocar el desconchado de la capa endurecida bajo cargas extremadamente pesadas.

3. Cementación y Temple

• Proceso: Calienta y mantiene los engranajes de acero con bajo contenido de carbono (por ejemplo, 20CrMnTi) en un medio rico en carbono para difundir los átomos de carbono en la superficie, seguido de temple y revenido a baja temperatura.
• Mecanismo: El proceso de endurecimiento de engranajes más utilizado y completo, que logra la combinación perfecta de "superficie dura y núcleo resistente":
  • Capa superficial: Estructura de martensita con alto contenido de carbono con dureza excepcional (HRC 58-62), resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga por contacto.
  • Núcleo: Estructura de martensita o sorbita con bajo contenido de carbono con alta resistencia y buena tenacidad.
  • La tensión de compresión residual significativa en la capa superficial compensa la tensión de tracción de las cargas externas, lo que mejora en gran medida la resistencia a la fatiga por flexión.
   
• Contribución a la vida útil: Extiende de forma integral la vida útil de los engranajes, especialmente adecuado para aplicaciones de alta carga, alto impacto y fricción severa (por ejemplo, cajas de cambios automotrices, engranajes del eje trasero). Es uno de los procesos más fiables para garantizar una larga vida útil de los engranajes.

4. Nitruración

• Proceso: Calienta los engranajes (500-580℃) en un medio rico en nitrógeno para difundir los átomos de nitrógeno en la superficie, formando una capa de nitruro extremadamente dura.
• Mecanismo:
  • Dureza superficial ultra alta (HV 800-1200) con excelente resistencia al desgaste y rendimiento anti-rayado.
  • Deformación térmica mínima debido a la baja temperatura de procesamiento y sin necesidad de temple.
  • Mejora la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión.
   
• Contribución a la vida útil: Particularmente adecuado para engranajes de precisión, engranajes que funcionan en condiciones de alto desgaste, impacto moderado y aquellos en entornos de alta temperatura o corrosivos.
• Limitación: La capa nitrurada delgada (0,1-0,8 mm) da como resultado una menor capacidad de carga que los engranajes cementados, con poca resistencia al impacto.

5. Carbonitruración

• Proceso: Difunde simultáneamente átomos de carbono y nitrógeno, combinando las ventajas de la cementación y la nitruración.
• Mecanismo: Integra los beneficios de ambos procesos: mayor resistencia al desgaste y a la fatiga que la cementación, menor temperatura de procesamiento con mínima deformación; capa de difusión más profunda y mejor capacidad de carga que la nitruración.
• Contribución a la vida útil: Una excelente alternativa a la cementación, especialmente para engranajes de acero con bajo y medio contenido de carbono bajo cargas moderadas que requieren resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga y deformación controlada.