Selección de acero para engranajes: cementación frente a temple pasante

Dos filosofías

Un diente de engranaje necesita una superficie dura y resistente al desgaste para la resistencia al contacto (picaduras) y un núcleo tenaz para la resistencia a la flexión. Dos familias de aceros logran ese equilibrio de forma diferente.

Aceros de cementación

Los aceros aleados de bajo carbono — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — se mecanizan en blando, se cementan y después se templan. Resultado: una capa de aproximadamente 58–62 HRC sobre un núcleo de quizá 30–45 HRC.

• La mayor resistencia a la fatiga por contacto y por flexión entre las opciones habituales.
• La profundidad de capa escala con el tamaño del diente: una regla práctica muy utilizada sitúa la profundidad efectiva de capa en aproximadamente 0.15–0.30 × módulo — un engranaje de módulo 3 necesita solo unas décimas de milímetro, un engranaje de módulo 10 necesita proporcionalmente más.
• Coste: los ciclos de cementación son largos, la distorsión debe controlarse (a menudo con rectificado de acabado) y los engranajes muy grandes se vuelven poco prácticos de cementar uniformemente.

Aceros de temple pasante

El 42CrMo4 / 4140 y aceros aleados de medio carbono similares se templan y revienen hasta una dureza uniforme de ~28–36 HRC, y después se tallan o se mecanizan de acabado. La dureza superficial — y, por tanto, la resistencia a las picaduras — es menor, pero:

• Sin límite de profundidad de capa; adecuados para engranajes de módulo grande y gran diámetro (eólica, molinos, auxiliares marinos).
• Los dientes pueden templarse por inducción después (aproximadamente 50–55 HRC en el flanco) para recuperar la durabilidad superficial manteniendo un núcleo revenido.
• Los aceros de nitruración son una tercera vía para cargas moderadas: capas muy duras y finas con una distorsión casi nula, con una profundidad de capa limitada.

Lógica de selección

Situación	Elección típica
Módulo pequeño/medio, alta densidad de par, servicio en automoción y cajas de cambios	Cementación: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Módulo grande, cargas de impacto, engranajes industriales unitarios	42CrMo4 de temple pasante, opcionalmente templado por inducción
Engranajes de precisión donde la distorsión no puede corregirse	Acero de nitruración
Carga baja, coste bajo, engranajes sustituibles	1045 o acero moldeado, sin templar o ligeramente templado

La frontera práctica es el tamaño y la tensión: una vez que los módulos crecen y las profundidades de capa superarían un milímetro aproximadamente, el coste y la distorsión de la cementación aumentan con fuerza, y el temple pasante con un tratamiento superficial suele imponerse.

Realidad del tratamiento térmico y del acabado

La cementación es un proceso por lotes medido en horas o días: los engranajes se mecanizan con un sobreespesor de rectificado, se cementan, se templan y se rectifican de acabado o se tallan en duro para restablecer la precisión de los dientes — ese paso de acabado debe estar en el plan de proceso y en el presupuesto de tolerancias desde el principio. Los engranajes de temple pasante son más sencillos: primero temple y revenido, después tallado de los dientes en la pieza bruta templada cuando el tamaño lo permite, aceptando el acabado de flanco que da el tallado en duro, o tallado en blando y temple por inducción con una precisión algo más holgada. En ambas vías, la banda de templabilidad del acero (la banda H en la norma de compra) es lo que garantiza la dureza del núcleo en la raíz del diente; especificar un grado sin su banda de templabilidad deja al azar la propiedad más importante del engranaje.