Tratamento térmico de cementación para engrenaxes: mellora da resistencia, durabilidade e rendemento

Nos sistemas modernos de transmisión de potencia, espérase que as engrenaxes funcionen en condicións extremas: alto par, rotación continua, cargas pesadas, velocidades fluctuantes e longos ciclos de traballo. Os aceiros de aliaxe tradicionais, mesmo con boa dureza intrínseca, a miúdo non poden soportar aplicacións tan esixentes sen fallas superficiais, picaduras nos dentes, rozaduras, desgaste e gretas por fatiga. Para superar estes desafíos, o tratamento térmico convértese nun paso esencial na fabricación de engrenaxes e, entre todos os métodos,carburacióndestaca como un dos procesos de endurecemento superficial máis eficaces.

A carburación (tamén chamada endurecemento por cementación) é unha técnica metalúrxica que introduce carbono na capa superficial das engrenaxes de aceiro a alta temperatura. Despois do temple, a superficie transfórmase nunha carcasa martensítica dura, mentres que o núcleo mantén a tenacidade e a resistencia aos golpes. Esta combinación é dura por fóra e dura por dentro. É por iso que as engrenaxes carburadas úsanse amplamente en transmisións de automóbiles, caixas de cambios industriais, maquinaria pesada, equipos de minería, accionamentos aeroespaciais e robótica.

Que é a carburación?

A cementación é un tratamento térmico baseado na difusión que se realiza a temperaturas que normalmente se atopan entre 880 °C e 950 °C. Durante o proceso, as engrenaxes quéntanse nunha atmosfera rica en carbono. Os átomos de carbono difúndense na capa superficial do aceiro, aumentando o seu contido de carbono. Despois de remollar durante o tempo necesario, as engrenaxes son arrefriadas rapidamente para formar unha carcasa martensítica endurecida.

A profundidade de penetración do carbono chámase profundidade de encapsulado e pódese controlar variando a temperatura, o tempo de retención e o potencial de carbono. Xeralmente, a profundidade de encapsulado obxectivo varía de 0,8 mm a 2,5 mm, dependendo da aplicación, o tamaño da engrenaxe e a capacidade de carga requirida.

Por que precisan carburación as engrenaxes?

A carburización non só consiste en aumentar a dureza; tamén mellora significativamente o rendemento en condicións de traballo reais. Entre os principais beneficios inclúense:

1. Alta resistencia ao desgaste
   A superficie endurecida evita o desgaste abrasivo, as picaduras, as microescamacións e os danos por fatiga superficial.

2. Maior capacidade de carga
   As engrenaxes carburadas poden soportar cargas máis pesadas e transmitir un par motor máis elevado sen deformación.

3. Resistencia mellorada á flexión dos dentes
   O núcleo dúctil brando absorbe os golpes e os impactos, o que reduce o risco de fractura dos dentes.

4. Vida útil superior á fatiga
   As engrenaxes carburadas poden funcionar durante decenas de miles de horas en condicións de ciclos elevados.

5. Fricción e xeración de calor reducidas
   Un encaixe máis suave dos dentes garante unha transmisión máis silenciosa e eficiente enerxeticamente.

Debido a estas vantaxes, a cementación converteuse no tratamento térmico estándar paraautomociónengrenaxes, especialmente paraengrenaxes cónicas, engrenaxes helicoidais, engrenaxes anulares, engrenaxes diferenciais e eixes de transmisión.

O proceso de carburación paso a paso

Un proceso completo de carburación inclúe varias etapas, cada unha das cales afecta o rendemento final:

1. Prequecemento e austenitización

As engrenaxes quéntanse á temperatura de cementación, onde o aceiro se transforma en austenita. Esta estrutura permite que o carbono se difunda facilmente.

2. Difusión de carbono e formación de envolturas

As engrenaxes mantéñense nun ambiente rico en carbono (gas, baleiro ou axente cementante sólido). Os átomos de carbono difúndense cara ao interior, formando unha carcasa endurecida despois do arrefriamento.

3. Tempeo

O arrefriamento rápido transforma a capa superficial con alto contido en carbono en martensita, unha substancia extremadamente dura e resistente ao desgaste.

4. Revenido

Despois do temple, é necesario un revenido para reducir a fraxilidade, mellorar a tenacidade e estabilizar a microestrutura.

5. Mecanizado final / Rectificado

As engrenaxes tratadas termicamente adoitan someterse a un rectificado ou lapeado de acabado para lograr unha xeometría precisa dos dentes, un patrón de contacto suave e un control óptimo do ruído.

Tipos de carburación para engrenaxes

Desenvolvéronse varias tecnoloxías de carburación, cada unha con vantaxes únicas.

Entre eles,carburación ao baleiroé cada vez máis preferido para engrenaxes de precisión debido á súa distribución uniforme da caixa, ao seu respecto polo medio ambiente e á súa baixa distorsión.

Selección de materiais para a carburación

Non todos os aceiros son aptos para a cementación. Os materiais ideais son os aceiros de aliaxe con baixo contido en carbono con boa templabilidade e tenacidade do núcleo.

Aceiros de cementación comúns:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• Aceiro 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Estes aceiros permiten un endurecemento profundo da cementación, mantendo ao mesmo tempo un núcleo forte e dúctil, perfecto para engrenaxes de alta resistencia.

Factores de calidade en engrenaxes carburadas

Para lograr un rendemento estable, débense controlar varios factores críticos:

1. Concentración de carbono superficial

2. Profundidade efectiva do caso (ECD)

3. Nivel de austenita retido

4. Distorsión e estabilidade dimensional

5. Uniformidade da dureza (58–62 HRC na superficie)

Un proceso de cementación ben controlado garante que as engrenaxes funcionen de forma fiable durante anos cun mantemento mínimo.

Aplicacións de engrenaxes carburadas

A cementación úsase amplamente en industrias onde a fiabilidade, a precisión e a resistencia a altas cargas son esenciais:

• Caixas de cambios e sistemas diferenciais para automóbiles

• Tractores, minería e equipos pesados

• Engrenaxes de robótica e automatización

• Caixas de cambios de aeroxeradores

• Accionamentos aeroespaciais e transmisións de turbinas

• Sistemas de propulsión mariña

Sempre que as engrenaxes deban soportar golpes, presión e tensión rotacional a longo prazo, a cementación é a solución máis fiable.

O tratamento térmico de cementación transforma as engrenaxes de aceiro ordinarias en compoñentes de alto rendemento capaces de soportar ambientes esixentes. O proceso fortalece a superficie contra o desgaste e a fatiga, ao tempo que conserva un núcleo interno resistente para a resistencia aos impactos. A medida que a maquinaria evoluciona cara a unha maior densidade de potencia e eficiencia, as engrenaxes cementadas seguirán sendo unha tecnoloxía clave na enxeñaría moderna e nos sistemas de transmisión de potencia.