5 Migliori materiali per ingranaggi a confronto

Nella scelta del materiale degli ingranaggi e del loro trattamento termico, è essenziale considerare le condizioni di lavoro, come la modalità di trasmissione, le proprietà e le dimensioni del carico, la velocità di trasmissione e i requisiti di precisione.

Inoltre, è necessario tenere conto di fattori quali la temprabilità dell'acciaio, i requisiti di tempra della superficie del dente e la compatibilità dei materiali e dei valori di durezza della coppia di ingranaggi in base al modulo dell'ingranaggio e alla dimensione della sezione.

Gli ingranaggi possono essere realizzati con diversi materiali, tra cui ghisa, acciaio, materiali di metallurgia delle polveri, leghe non ferrose (come le leghe di rame) e materiali non metallici. L'acciaio è il materiale più comunemente utilizzato per gli ingranaggi e può essere classificato in acciaio a basso tenore di carbonio, acciaio a medio tenore di carbonio, acciaio ad alto tenore di carbonio o acciaio legato.

Un adeguato trattamento termico, come la normalizzazione, la ricottura, la tempra e il rinvenimento, la carburazione, la nitrurazione o la tempra superficiale, può migliorare significativamente le prestazioni del materiale, la capacità di taglio, la qualità della lavorazione e la durata degli ingranaggi.

Di seguito sono riportate le caratteristiche e le condizioni applicabili di vari materiali in acciaio e i metodi di trattamento termico per gli ingranaggi:

1. Acciaio bonificato

Gradi di acciaio

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

Processo 1: rinvenimento o normalizzazione

1. Forza e resistenza: Gli ingranaggi in acciaio bonificato presentano una buona resistenza e tenacità, in genere con una durezza compresa tra 220 e 300 HBW.
2. Limitazioni dello strumento: Se la durezza di un pignone temprato non può essere migliorata a causa dei limiti degli utensili, si può utilizzare un ingranaggio grande normalizzato per mantenere la differenza di durezza tra l'ingranaggio grande e quello piccolo. Tuttavia, gli ingranaggi normalizzati hanno una resistenza inferiore a quella degli ingranaggi temprati.
3. Taglio fine: Il taglio fine può essere utilizzato per eliminare le distorsioni causate dal trattamento termico e mantenere la precisione degli ingranaggi.
4. Costo-efficacia: Gli ingranaggi normalizzati non richiedono trattamenti termici speciali o attrezzature per la finitura della superficie del dente, il che rende la loro produzione relativamente economica.
5. Capacità di carico: Gli ingranaggi normalizzati presentano una minore durezza della superficie del dente, che può limitare la loro capacità portante.

Condizioni applicabili: Gli ingranaggi normalizzati sono ampiamente utilizzati per applicazioni generali a media e bassa velocità con requisiti di resistenza e precisione ridotti, nonché per ingranaggi di grandi dimensioni difficili da trattare termicamente e da rifinire.

Processo 2: Tempra superficiale (tempra a induzione, tempra a fiamma)

1. Durezza e resistenza: Gli ingranaggi temprati in superficie hanno un'elevata durezza della superficie del dente, resistenza alla vaiolatura e all'usura. La superficie temprata produce tensioni residue, migliorando notevolmente la resistenza della radice del dente. La durezza generale della superficie del dente è di 45-55 HRC per gli acciai legati e di 40-50 HRC per gli acciai al carbonio.
2. Forza del nucleo: Il trattamento di tempra e rinvenimento può essere effettuato prima della tempra superficiale per migliorare ulteriormente la resistenza del nucleo.
3. Efficienza: Il tempo di tempra a induzione è breve.
4. Coerenza: La profondità e la durezza dello strato di cementazione possono variare lungo la superficie del dente.
5. Rischio di fessurazione: Il riscaldamento e il raffreddamento rapidi possono provocare crepe.

Condizioni applicabili: Gli ingranaggi temprati in superficie sono ampiamente utilizzati per applicazioni ad alto carico e in piccoli volumi.

2. Carburazione dell'acciaio

Gradi di acciaio

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

Processo: Carburazione e tempra

1. Durezza e resistenza: Gli ingranaggi sottoposti a carburazione e tempra hanno un'elevata durezza della superficie del dente, resistenza alla vaiolatura e all'usura. La superficie temprata produce tensioni residue, migliorando notevolmente la resistenza della radice del dente. La durezza generale della superficie del dente è di 56-63 HRC.
2. Prestazioni di taglio: Gli ingranaggi carbonizzati presentano buone prestazioni di taglio.
3. Distorsione e precisione: La carburazione e la tempra causano una significativa distorsione da trattamento termico, che richiede una rettifica successiva al trattamento termico per ottenere un'elevata precisione. Ciò aumenta i tempi e i costi di lavorazione.

Condizioni applicabili: Gli ingranaggi temprati e carbonizzati sono ampiamente utilizzati per ingranaggi di medie e piccole dimensioni con elevata capacità portante, resistenza agli urti, precisione e volume ridotto.

3. Nitrurazione dell'acciaio

Gradi di acciaio

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

Processo: Trattamento di nitrurazione

1. Durezza e resistenza: Gli ingranaggi nitrurati hanno una durezza della superficie del dente, una resistenza alla corrosione per vaiolatura e una resistenza all'usura molto elevate. Il nucleo ha una buona tenacità. L'acciaio a medio tenore di carbonio viene spesso temprato e rinvenuto per migliorare la resistenza del nucleo.
2. Distorsione minima: Grazie alle basse temperature di riscaldamento, la distorsione del trattamento termico è minima e i denti non necessitano di rettifica dopo il trattamento di nitrurazione.
3. Spessore dello strato: Lo strato indurito è sottile, il che rende l'ingranaggio meno adatto ai carichi d'urto e con una capacità portante inferiore rispetto agli ingranaggi carburati e temprati.
4. Costi e tempi: Il trattamento di nitrurazione richiede tempi più lunghi ed è più costoso di altri trattamenti termici.

Condizioni applicabili: Gli ingranaggi nitrurati sono adatti per applicazioni con carichi elevati e stabili e per situazioni in cui non è disponibile un'apparecchiatura per la finitura della superficie del dente, ma sono necessarie superfici dure.

4. Acciaio fuso

Gradi di acciaio

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

1. Forme complesse: Questo processo è adatto alla produzione di ingranaggi di grandi dimensioni con forme complesse.
2. La forza: La resistenza degli ingranaggi prodotti con questo processo è inferiore a quella dell'acciaio bonificato dello stesso grado e trattamento termico.
3. Difetti di fusione: Questo processo può causare difetti di fusione.

Condizioni applicabili: Questo processo è adatto per ingranaggi di grandi dimensioni che non possono essere forgiati.

5. Ghisa

Gradi di acciaio

• Vari tipi di ghisa grigia, ghisa duttile, ghisa malleabile, ecc.

1. Costo: La ghisa ha un basso costo del materiale.
2. Resistenza all'usura: Gli ingranaggi in ghisa presentano una buona resistenza all'usura.
3. Forme complesse: Questo processo è adatto alla produzione di ingranaggi di grandi dimensioni con forme complesse.
4. Tecnologie: La ghisa ha buone tecnologie di fusione e taglio.
5. Capacità di carico: Gli ingranaggi in ghisa hanno una capacità portante inferiore a quella di altri materiali.

Condizioni applicabili: La ghisa grigia e la ghisa malleabile sono adatte per ingranaggi a bassa velocità, con carichi leggeri e senza impatto. La ghisa sferoidale può essere utilizzata per ingranaggi con grandi carichi e urti.

Conoscendo le proprietà e le applicazioni dei diversi materiali per ingranaggi e dei processi di trattamento termico, gli ingegneri possono prendere decisioni informate per ottimizzare le prestazioni e la durata degli ingranaggi in varie applicazioni industriali.