Comparaison des 5 meilleurs matériaux pour les engrenages

Lors de la sélection du matériau de l'engrenage et de son traitement thermique, il est essentiel de tenir compte des conditions de travail, telles que le mode de transmission, les propriétés et la taille de la charge, la vitesse de transmission et les exigences de précision.

En outre, il faut tenir compte de facteurs tels que la trempabilité de l'acier, les exigences en matière de trempage de la surface des dents et la compatibilité des valeurs de matériau et de dureté de la paire d'engrenages en fonction du module d'engrenage et de la taille de la section.

Les engrenages peuvent être fabriqués à partir de différents matériaux, notamment la fonte, l'acier, les matériaux issus de la métallurgie des poudres, les alliages non ferreux (tels que les alliages de cuivre) et les matériaux non métalliques. L'acier est le matériau le plus couramment utilisé pour les engrenages et peut être classé en acier à faible teneur en carbone, acier à teneur moyenne en carbone, acier à haute teneur en carbone ou acier allié.

Un traitement thermique approprié, tel que la normalisation, le recuit, la trempe et le revenu, la cémentation, la nitruration ou la trempe superficielle, peut améliorer de manière significative les performances du matériau, la capacité de coupe, la qualité du traitement et la durée de vie des engrenages.

Vous trouverez ci-dessous les caractéristiques et les conditions applicables à divers matériaux d'acier et méthodes de traitement thermique pour les engrenages :

1. Acier trempé et revenu

Grades d'acier

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

Processus 1 : Revenu ou normalisation

1. Force et résistance: Les engrenages en acier trempé et revenu présentent une bonne résistance et une bonne ténacité, avec une dureté typique de 220-300 HBW.
2. Limites de l'outil: Si la dureté d'un pignon trempé ne peut être améliorée en raison des limitations de l'outil, une grande roue normalisée peut être utilisée pour maintenir la différence de dureté entre la grande et la petite roue. Cependant, les engrenages normalisés ont une résistance plus faible que les engrenages trempés.
3. Coupe fine: Le taillage fin peut être utilisé pour éliminer les distorsions causées par le traitement thermique et maintenir la précision de l'engrenage.
4. Rapport coût-efficacité: Les engrenages normalisés ne nécessitent pas de traitement thermique spécial ni d'équipement de finition de la surface de la dent, ce qui rend leur fabrication relativement peu coûteuse.
5. Capacité de charge: Les engrenages normalisés ont une dureté de surface de dent plus faible, ce qui peut limiter leur capacité de charge.

Conditions applicables: Les engrenages normalisés sont largement utilisés pour les applications générales à moyenne et basse vitesse avec de faibles exigences en matière de résistance et de précision, ainsi que pour les engrenages de grande taille difficiles à traiter thermiquement et à finir.

Processus 2 : trempe superficielle (trempe par induction, trempe à la flamme)

1. Dureté et résistance: Les engrenages à surface trempée présentent une dureté élevée de la surface de la dent, une résistance aux piqûres et une résistance à l'usure. La surface trempée produit des contraintes résiduelles, ce qui améliore considérablement la résistance du pied de la dent. La plage générale de dureté de la surface de la dent est de 45 à 55 HRC pour l'acier allié et de 40 à 50 HRC pour l'acier au carbone.
2. Renforcement du tronc: Un traitement de trempe et de revenu peut être effectué avant la trempe superficielle pour améliorer encore la résistance du noyau.
3. Efficacité: Le temps de durcissement par induction est court.
4. Cohérence: La profondeur et la dureté de la couche de cémentation peuvent varier le long de la surface de la dent.
5. Risque de fissuration: Un réchauffement et un refroidissement rapides peuvent provoquer des fissures.

Conditions applicables: Les engrenages à trempe superficielle sont largement utilisés pour les applications à forte charge et à faible volume.

2. Carburation de l'acier

Grades d'acier

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

Processus : La cémentation et la trempe

1. Dureté et résistance: Les engrenages cémentés et trempés présentent une dureté élevée de la surface de la dent, une résistance aux piqûres et une résistance à l'usure. La surface durcie produit des contraintes résiduelles, ce qui améliore considérablement la résistance du pied de la dent. La dureté générale de la surface de la dent est comprise entre 56 et 63 HRC.
2. Performance de coupe: Les engrenages cémentés présentent de bonnes performances de coupe.
3. Distorsion et précision: La cémentation et la trempe provoquent des déformations importantes dues au traitement thermique, ce qui nécessite un meulage après le traitement thermique pour obtenir une grande précision. Cela augmente la durée et le coût du traitement.

Conditions applicables: Les engrenages cémentés et trempés sont largement utilisés pour les engrenages de petite et moyenne taille ayant une capacité de charge élevée, une résistance aux chocs, une grande précision et un faible volume.

3. Acier de nitruration

Grades d'acier

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

Processus : Traitement de nitruration

1. Dureté et résistance: Les engrenages nitrurés présentent une très grande dureté de la surface de la dent, une résistance à la corrosion par piqûre et une résistance à l'usure. Le noyau a une bonne ténacité. L'acier à moyenne teneur en carbone est souvent trempé et revenu au préalable pour améliorer la résistance du noyau.
2. Distorsion minimale: En raison des faibles températures de chauffage, la distorsion due au traitement thermique est minime et les dents ne nécessitent pas de meulage après le traitement de nitruration.
3. Épaisseur de la couche: La couche durcie est mince, ce qui rend l'engrenage moins adapté aux charges d'impact et avec une capacité de charge plus faible que les engrenages cémentés et trempés.
4. Coût et délai: Le traitement de nitruration est plus long et plus coûteux que les autres traitements thermiques.

Conditions applicables: Les engrenages nitrurés conviennent aux applications à charge importante et stable et aux situations où l'on ne dispose pas d'équipement de finition de la surface de la dent, mais où des surfaces de denture dures sont nécessaires.

4. Acier moulé

Grades d'acier

• ZG310-570, ZG340-640, ZG42SiMn, ZG50SiMn, ZG40Cr1, ZG35CrMnSi, etc.

1. Formes complexes: Ce procédé convient à la fabrication de grands engrenages aux formes complexes.
2. La force: La résistance des engrenages fabriqués selon ce procédé est inférieure à celle de l'acier trempé et revenu de la même nuance et du même traitement thermique.
3. Défauts de coulée: Ce processus peut entraîner des défauts de coulée.

Conditions applicables: Ce procédé convient aux grands engrenages qui ne peuvent pas être forgés.

5. Fonte

Grades d'acier

• Diverses fontes grises, fontes ductiles, fontes malléables, etc.

1. Coût: La fonte est un matériau peu coûteux.
2. Résistance à l'usure: Les engrenages en fonte présentent une bonne résistance à l'usure.
3. Formes complexes: Ce procédé convient à la fabrication de grands engrenages aux formes complexes.
4. Technologies: La fonte possède de bonnes technologies de moulage et de découpe.
5. Capacité de charge: Les engrenages en fonte ont une capacité de charge inférieure à celle des autres matériaux.

Conditions applicables: La fonte grise et la fonte malléable conviennent aux engrenages à faible vitesse, à charge légère et sans impact. La fonte ductile peut être utilisée pour les engrenages soumis à des charges importantes et à des chocs.

En comprenant les propriétés et les applications appropriées des différents matériaux pour engrenages et des processus de traitement thermique, les ingénieurs peuvent prendre des décisions éclairées afin d'optimiser les performances et la longévité des engrenages dans diverses applications industrielles.