Comparação dos 5 melhores materiais para engrenagens

Ao selecionar o material da engrenagem e o seu tratamento térmico, é essencial ter em conta as condições de trabalho, como o modo de transmissão, as propriedades e o tamanho da carga, a velocidade de transmissão e os requisitos de precisão.

Além disso, devem ser tidos em conta factores como a temperabilidade do aço, os requisitos de endurecimento da superfície do dente e a compatibilidade dos valores de material e de dureza do par de engrenagens de acordo com o módulo da engrenagem e o tamanho da secção.

As engrenagens podem ser feitas de vários materiais, incluindo ferro fundido, aço, materiais de metalurgia do pó, ligas não ferrosas (como ligas de cobre) e materiais não metálicos. O aço é o material mais utilizado para as engrenagens e pode ser classificado em aço de baixo carbono, aço de médio carbono, aço de alto carbono ou aço ligado.

Um tratamento térmico adequado, como a normalização, o recozimento, a têmpera, a cementação, a nitretação ou a têmpera superficial, pode melhorar significativamente o desempenho do material, a capacidade de corte, a qualidade de processamento e a vida útil das engrenagens.

Seguem-se as características e condições aplicáveis de vários materiais de aço e métodos de tratamento térmico para engrenagens:

1. Aço temperado e revenido

Graus de aço

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

Processo 1: Têmpera ou Normalização

1. Força e resistência: As engrenagens de aço temperado e revenido apresentam uma boa resistência e tenacidade, tipicamente com uma gama de dureza de 220-300 HBW.
2. Limitações da ferramenta: Se a dureza de um pinhão temperado não puder ser melhorada devido a limitações da ferramenta, pode ser utilizada uma engrenagem grande normalizada para manter a diferença de dureza entre as engrenagens grande e pequena. No entanto, as engrenagens normalizadas têm menor resistência do que as engrenagens temperadas.
3. Corte fino: O corte fino pode ser utilizado para eliminar a distorção causada pelo tratamento térmico e manter a precisão da engrenagem.
4. Custo-eficácia: As engrenagens normalizadas não requerem tratamento térmico especial ou equipamento de acabamento da superfície do dente, o que torna o seu fabrico relativamente barato.
5. Capacidade de carga: As engrenagens normalizadas têm uma dureza inferior na superfície dos dentes, o que pode limitar a sua capacidade de carga.

Condições aplicáveis: As engrenagens normalizadas são amplamente utilizadas para aplicações gerais de média e baixa velocidade com requisitos de baixa resistência e precisão, bem como para engrenagens grandes que são difíceis de tratar termicamente e terminar.

Processo 2: Têmpera superficial (têmpera por indução, têmpera por chama)

1. Dureza e resistência: As engrenagens com superfície temperada têm uma elevada dureza da superfície do dente, resistência à perfuração e resistência ao desgaste. A superfície endurecida produz tensões residuais, melhorando consideravelmente a resistência da raiz do dente. A gama geral de dureza da superfície do dente é de 45-55 HRC para o aço-liga e de 40-50 HRC para o aço-carbono.
2. Força do núcleo: O tratamento de têmpera e revenido pode ser efectuado antes da têmpera superficial para melhorar ainda mais a resistência do núcleo.
3. Eficiência: O tempo de endurecimento por indução é curto.
4. Consistência: A profundidade e a dureza da camada de endurecimento podem variar ao longo da superfície do dente.
5. Risco de fissuração: O aquecimento e arrefecimento rápidos podem provocar fissuras.

Condições aplicáveis: As engrenagens com superfície temperada são muito utilizadas para aplicações de grande carga e de pequeno volume.

2. Aço para cementação

Graus de aço

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

Processo: Carburação e têmpera

1. Dureza e resistência: As engrenagens cementadas e temperadas têm uma elevada dureza da superfície do dente, resistência à perfuração e resistência ao desgaste. A superfície endurecida produz tensão residual, melhorando consideravelmente a resistência da raiz do dente. A gama geral de dureza da superfície do dente é 56-63 HRC.
2. Desempenho de corte: As engrenagens cementadas apresentam um bom desempenho de corte.
3. Distorção e precisão: A cementação e a têmpera provocam uma distorção significativa do tratamento térmico, exigindo uma retificação pós-tratamento térmico para obter uma elevada precisão. Isto aumenta o tempo de processamento e o custo.

Condições aplicáveis: As engrenagens cementadas e temperadas são amplamente utilizadas para engrenagens médias e pequenas com elevada capacidade de carga, resistência ao impacto, precisão e pequeno volume.

3. Aço de nitruração

Graus de aço

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

Processo: Tratamento de nitruração

1. Dureza e resistência: As engrenagens nitretadas têm uma dureza muito elevada da superfície do dente, resistência à corrosão por picadas e resistência ao desgaste. O núcleo tem uma boa tenacidade. O aço de carbono médio é frequentemente temperado e revenido primeiro para melhorar a resistência do núcleo.
2. Distorção mínima: Devido às baixas temperaturas de aquecimento, a distorção do tratamento térmico é mínima e os dentes não necessitam de ser rectificados após o tratamento de nitruração.
3. Espessura da camada: A camada endurecida é fina, tornando a engrenagem menos adequada para cargas de impacto e com menor capacidade de suporte do que as engrenagens cementadas e temperadas.
4. Custo e tempo: O tratamento de nitruração é mais demorado e mais caro do que os outros tratamentos térmicos.

Condições aplicáveis: As engrenagens nitretadas são adequadas para aplicações de carga grande e estável e para situações em que o equipamento de acabamento da superfície do dente não está disponível, mas são necessárias superfícies de dente duras.

4. Aço fundido

Graus de aço

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

1. Formas complexas: Este processo é adequado para o fabrico de grandes engrenagens com formas complexas.
2. Força: A resistência das engrenagens fabricadas por este processo é inferior à do aço temperado e revenido do mesmo tipo e tratamento térmico.
3. Defeitos de fundição: Este processo pode dar origem a defeitos de fundição.

Condições aplicáveis: Este processo é adequado para engrenagens de grandes dimensões que não podem ser forjadas.

5. Ferro fundido

Graus de aço

• Vários tipos de ferro fundido cinzento, ferro fundido dúctil, ferro fundido maleável, etc.

1. Custo: O ferro fundido tem um baixo custo de material.
2. Resistência ao desgaste: As engrenagens de ferro fundido apresentam uma boa resistência ao desgaste.
3. Formas complexas: Este processo é adequado para o fabrico de grandes engrenagens com formas complexas.
4. Tecnologias: O ferro fundido possui boas tecnologias de fundição e de corte.
5. Capacidade de carga: As engrenagens de ferro fundido têm uma capacidade de carga inferior à de outros materiais.

Condições aplicáveis: O ferro fundido cinzento e o ferro fundido maleável são adequados para engrenagens de baixa velocidade, carga ligeira e sem impacto. O ferro fundido dúctil pode ser utilizado para engrenagens com grandes cargas e impacto.

Ao compreender as propriedades e as aplicações adequadas de diferentes materiais de engrenagens e processos de tratamento térmico, os engenheiros podem tomar decisões informadas para otimizar o desempenho e a longevidade das engrenagens em várias aplicações industriais.