Comparação dos 5 melhores materiais para engrenagens

Ao selecionar o material da engrenagem e seu tratamento térmico, é essencial considerar 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, fatores como a temperabilidade do aço, os requisitos de endurecimento da superfície do dente e a compatibilidade dos valores de material e dureza do par de engrenagens de acordo com o módulo de engrenagens e o tamanho da seção devem ser levados em consideração.

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 comumente usado para engrenagens e pode ser classificado em aço de baixo carbono, aço de médio carbono, aço de alto carbono ou aço-liga.

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

Abaixo estão as características e as condições aplicáveis de vários materiais de aço e métodos de tratamento térmico para engrenagens:

1. Aço temperado e revenido

Classes de aço

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

Processo 1: Revenimento ou normalização

1. Força e resistência: As engrenagens de aço temperado e revenido apresentam boa resistência e tenacidade, geralmente com uma faixa de dureza de 220 a 300 HBW.
2. Limitações da ferramenta: Se a dureza de um pinhão temperado não puder ser melhorada devido a limitações da ferramenta, uma engrenagem grande normalizada poderá ser usada para manter a diferença de dureza entre as engrenagens grandes e pequenas. No entanto, as engrenagens normalizadas têm menor resistência do que as engrenagens temperadas.
3. Corte fino: O corte fino pode ser usado para eliminar a distorção causada pelo tratamento térmico e manter a precisão da engrenagem.
4. Custo-efetividade: As engrenagens normalizadas não requerem tratamento térmico especial ou equipamento de acabamento da superfície do dente, o que torna sua fabricação relativamente barata.
5. Capacidade de rolamento: As engrenagens normalizadas têm menor dureza na superfície do dente, o que pode limitar sua capacidade de suporte.

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 de dar acabamento.

Processo 2: Resfriamento da superfície (resfriamento por indução, resfriamento por chama)

1. Dureza e resistência: As engrenagens com superfície temperada têm alta dureza da superfície do dente, resistência a pites e resistência ao desgaste. A superfície endurecida produz tensão residual, melhorando consideravelmente a resistência da raiz do dente. A faixa geral de dureza da superfície do dente é de 45 a 55 HRC para aço-liga e de 40 a 50 HRC para aço-carbono.
2. Força do núcleo: O tratamento de têmpera e revenimento pode ser realizado 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 do estojo podem variar ao longo da superfície do dente.
5. Risco de rachaduras: O aquecimento e o resfriamento rápidos podem causar rachaduras.

Condições aplicáveis: As engrenagens com superfície temperada são amplamente utilizadas em aplicações de alta carga e pequeno volume.

2. Aço para cementação

Classes de aço

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

Processo: Carburização e têmpera

1. Dureza e resistência: As engrenagens cementadas e temperadas têm alta dureza da superfície do dente, resistência a pites e resistência ao desgaste. A superfície endurecida produz tensão residual, melhorando consideravelmente a resistência da raiz do dente. A faixa geral de dureza da superfície do dente é de 56 a 63 HRC.
2. Desempenho de corte: As engrenagens carburizadas apresentam bom desempenho de corte.
3. Distorção e precisão: A cementação e a têmpera causam distorção significativa no tratamento térmico, exigindo retificação pós-tratamento térmico para obter alta precisão. Isso aumenta o tempo e o custo do processamento.

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

3. Nitretação de aço

Classes de aço

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

Processo: Tratamento de nitretação

1. Dureza e resistência: As engrenagens nitretadas têm dureza muito alta na superfície do dente, resistência à corrosão por pite e resistência ao desgaste. O núcleo tem boa tenacidade. O aço de médio carbono geralmente é 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 precisam ser retificados após o tratamento de nitretação.
3. Espessura da camada: A camada endurecida é fina, o que torna a engrenagem menos adequada para cargas de impacto e com menor capacidade de carga do que as engrenagens cementadas e temperadas.
4. Custo e tempo: O tratamento de nitretação leva mais tempo e é mais caro do que outros tratamentos térmicos.

Condições aplicáveis: As engrenagens nitretadas são adequadas para aplicações de cargas grandes e estáveis 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

Classes de aço

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

1. Formas complexas: Esse processo é adequado para a fabricação de engrenagens grandes com formas complexas.
2. Força: A resistência das engrenagens fabricadas com esse processo é menor do que a do aço temperado e revenido do mesmo grau e tratamento térmico.
3. Defeitos de fundição: Esse processo pode resultar em defeitos de fundição.

Condições aplicáveis: Esse processo é adequado para engrenagens grandes que não podem ser forjadas.

5. Ferro fundido

Classes de aço

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

1. Custo: O ferro fundido tem baixo custo de material.
2. Resistência ao desgaste: As engrenagens de ferro fundido apresentam boa resistência ao desgaste.
3. Formas complexas: Esse processo é adequado para a fabricação de engrenagens grandes com formas complexas.
4. Tecnologias: O ferro fundido tem boas tecnologias de fundição e corte.
5. Capacidade de rolamento: As engrenagens de ferro fundido têm menor capacidade de carga do que as de outros materiais.

Condições aplicáveis: O ferro fundido cinzento e o ferro fundido maleável são adequados para engrenagens de baixa velocidade, carga leve e sem impacto. O ferro dúctil pode ser usado 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.