Tractament tèrmic de carburació per a engranatges: millora de la resistència, la durabilitat i el rendiment

En els sistemes moderns de transmissió de potència, s'espera que els engranatges funcionin en condicions extremes d'alt parell, rotació contínua, càrregues pesades, velocitats fluctuants i cicles de treball llargs. Els acers d'aliatge tradicionals, fins i tot amb una bona duresa intrínseca, sovint no poden suportar aplicacions tan exigents sense fallades superficials, picades a les dents, ratllades, desgast i esquerdes per fatiga. Per superar aquests reptes, el tractament tèrmic esdevé un pas essencial en la fabricació d'engranatges i, entre tots els mètodes,carburaciódestaca com un dels processos d'enduriment superficial més eficaços.

La carburació (també anomenada enduriment cementari) és una tècnica metal·lúrgica que introdueix carboni a la capa superficial dels engranatges d'acer a alta temperatura. Després del refredament, la superfície es transforma en una carcassa martensítica dura, mentre que el nucli conserva la tenacitat i la resistència als cops. Aquesta combinació és dura per fora, dura per dins. És per això que els engranatges carburitzats s'utilitzen àmpliament en transmissions d'automòbils, caixes de canvis industrials, maquinària pesada, equips miners, accionaments aeroespacials i robòtica.

Què és la carburació?

La carburació és un tractament tèrmic basat en la difusió que es realitza a temperatures que normalment es troben entre 880 °C i 950 °C. Durant el procés, els engranatges s'escalfen en una atmosfera rica en carboni. Els àtoms de carboni es difonen a la capa superficial de l'acer, augmentant el seu contingut de carboni. Després de remullar-los durant el temps necessari, els engranatges es refreden ràpidament per formar una carcassa martensítica endurida.

La profunditat de penetració del carboni s'anomena profunditat de la caixa i es pot controlar variant la temperatura, el temps de retenció i el potencial de carboni. Generalment, la profunditat de la caixa objectiu oscil·la entre 0,8 mm i 2,5 mm, depenent de l'aplicació, la mida de l'engranatge i la capacitat de càrrega requerida.

Per què cal carburitzar els engranatges?

La carburització no només consisteix a augmentar la duresa; també millora significativament el rendiment en condicions de treball reals. Els principals beneficis inclouen:

1. Alta resistència al desgast
   La superfície endurida evita el desgast abrasiu, les picadures, les microesquitxades i els danys per fatiga superficial.

2. Major capacitat de càrrega
   Els engranatges carburitzats poden suportar càrregues més pesades i transmetre un parell més elevat sense deformació.

3. Millora de la resistència a la flexió de les dents
   El nucli dúctil tou absorbeix els cops i els impactes, reduint el risc de fractura de les dents.

4. Vida útil superior a la fatiga
   Els engranatges carburitzats poden funcionar durant desenes de milers d'hores en condicions de cicles elevats.

5. Fricció i generació de calor reduïdes
   Un enganxament més suau de les dents garanteix una transmissió més silenciosa i eficient energèticament.

A causa d'aquests avantatges, la carburació s'ha convertit en el tractament tèrmic estàndard per aautomocióengranatges, especialment per aengranatges cònics, engranatges helicoïdals, engranatges anulars, engranatges diferencials i eixos de transmissió.

El procés de carburació pas a pas

Un procés complet de carburació inclou diverses etapes, cadascuna de les quals afecta el rendiment final:

1. Preescalfament i austenitització

Els engranatges s'escalfen fins a la temperatura de carburació on l'acer es transforma en austenita. Aquesta estructura permet que el carboni es difongui fàcilment.

2. Difusió de carboni i formació de casos

Els engranatges es mantenen en un entorn ric en carboni (gas, buit o agent carburitzant sòlid). Els àtoms de carboni es difonen cap a l'interior, formant una carcassa endurida després del refredament.

3. Apagament

El refredament ràpid transforma la capa superficial amb alt contingut de carboni en martensita, extremadament dura i resistent al desgast.

4. Reveniment

Després del tremp, cal un reveniment per reduir la fragilitat, millorar la tenacitat i estabilitzar la microestructura.

5. Mecanitzat final / Rectificat

Els engranatges tractats tèrmicament sovint se sotmeten a un rectificat o lapejat d'acabat per aconseguir una geometria de dents precisa, un patró de contacte suau i un control òptim del soroll.

Tipus de carburació per a engranatges

S'han desenvolupat diverses tecnologies de carburació, cadascuna amb avantatges únics.

Entre ells,carburació al buités cada cop més preferit per a engranatges de precisió a causa de la seva distribució uniforme de la caixa, el seu respecte pel medi ambient i la seva baixa distorsió.

Selecció de materials per a la carburació

No tots els acers són compatibles amb la cementació. Els materials ideals són els acers d'aliatge baix en carboni amb bona trempabilitat i tenacitat del nucli.

Acers de carburació comuns:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• Acer 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Aquests acers permeten un enduriment profund de la cementació alhora que mantenen un nucli fort i dúctil, perfecte per a engranatges de gran resistència.

Factors de qualitat en engranatges carburitzats

Per aconseguir un rendiment estable, cal controlar diversos factors crítics:

1. Concentració de carboni superficial

2. Profunditat efectiva del cas (ECD)

3. Nivell d'austenita retingut

4. Distorsió i estabilitat dimensional

5. Uniformitat de duresa (58–62 HRC en superfície)

Un procés de carburació ben controlat garanteix que els engranatges funcionin de manera fiable durant anys amb un manteniment mínim.

Aplicacions d'engranatges carburitzats

La carburització s'utilitza àmpliament en indústries on la fiabilitat, la precisió i la resistència a una alta càrrega són essencials:

• Caixes de canvis i sistemes diferencials d'automòbils

• Tractor, mineria i maquinària pesada

• Engranatges de robòtica i automatització

• Caixes de canvis d'aerogeneradors

• Accionaments aeroespacials i transmissions de turbines

• Sistemes de propulsió marina

Sempre que els engranatges hagin de suportar xocs, pressió i estrès rotacional a llarg termini, la carburació és la solució més fiable.

El tractament tèrmic de carburació transforma els engranatges d'acer ordinaris en components d'alt rendiment capaços de suportar entorns exigents. El procés enforteix la superfície contra el desgast i la fatiga alhora que preserva un nucli intern resistent per a la resistència a l'impacte. A mesura que la maquinària evoluciona cap a una major densitat de potència i eficiència, els engranatges carburitzats continuaran sent una tecnologia clau en l'enginyeria moderna i els sistemes de transmissió de potència.