Selezione dell'acciaio per ingranaggi: acciai da cementazione vs acciai da bonifica

Due filosofie

Un dente di ingranaggio richiede una superficie dura e resistente all'usura per la resistenza al contatto (pitting) e un nucleo tenace per la resistenza a flessione. Due famiglie di acciai realizzano tale equilibrio in modo diverso.

Acciai da cementazione

Gli acciai legati a basso tenore di carbonio — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — sono lavorati allo stato tenero, cementati e poi temprati. Risultato: uno strato di circa 58–62 HRC su un nucleo di circa 30–45 HRC.

• Massima resistenza a fatica da contatto e a flessione tra le opzioni comuni.
• La profondità dello strato si dimensiona in base alla dimensione del dente: una regola empirica molto usata pone la profondità efficace dello strato a circa 0.15–0.30 × modulo — un ingranaggio di modulo 3 richiede solo pochi decimi di millimetro, un ingranaggio di modulo 10 ne richiede proporzionalmente di più.
• Costo: i cicli di cementazione sono lunghi, la deformazione deve essere gestita (spesso con rettifica di finitura) e gli ingranaggi molto grandi diventano difficili da trattare in modo uniforme.

Acciai da tempra a cuore

42CrMo4 / 4140 e simili acciai legati a medio tenore di carbonio sono temprati e rinvenuti fino a una durezza uniforme di ~28–36 HRC, quindi tagliati o lavorati di finitura. La durezza superficiale — e quindi la resistenza al pitting — è inferiore, ma:

• Nessun limite di profondità dello strato; adatti a ingranaggi di grande modulo e grande diametro (eolico, laminatoi, ausiliari marini).
• I denti possono essere temprati a induzione successivamente (circa 50–55 HRC sul fianco) per recuperare la durabilità superficiale mantenendo un nucleo rinvenuto.
• Gli acciai da nitrurazione rappresentano una terza via per carichi moderati: strati sottili molto duri con deformazione quasi nulla, a profondità dello strato limitata.

Logica di selezione

Situazione	Scelta tipica
Modulo piccolo/medio, elevata densità di coppia, impiego automobilistico e in riduttori	Cementazione: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Grande modulo, carichi d'urto, ingranaggi industriali in esemplare unico	42CrMo4 bonificato a cuore, eventualmente temprato a induzione
Ingranaggi di precisione in cui la deformazione non può essere corretta	Acciaio da nitrurazione
Carico basso, costo basso, ingranaggi sostituibili	1045 o acciaio fuso, non temprato o leggermente temprato

Il confine pratico è dato da dimensione e sollecitazione: quando i moduli crescono e le profondità dello strato supererebbero un millimetro circa, il costo e la deformazione della cementazione aumentano rapidamente e di solito prevale la tempra a cuore con un trattamento superficiale.

Trattamento termico e realtà della finitura

La cementazione è un processo in lotti misurato in ore-giorni: gli ingranaggi sono lavorati con un sovrametallo di rettifica, cementati, temprati e rettificati di finitura o sottoposti a skiving duro per ripristinare la precisione dei denti — tale fase di finitura deve rientrare nel piano di processo e nel budget delle tolleranze fin dall'inizio. Gli ingranaggi bonificati a cuore sono più semplici: prima tempra e rinvenimento, quindi taglio dei denti nel grezzo indurito, ove le dimensioni lo consentano, accettando la finitura del fianco ottenuta con il taglio duro, oppure taglio allo stato tenero e tempra a induzione con precisione leggermente inferiore. Per entrambe le vie, la fascia di temprabilità dell'acciaio (la fascia H nella norma di acquisto) garantisce la durezza del nucleo alla radice del dente; specificare un grado senza la sua fascia di temprabilità significa lasciare al caso la proprietà più importante dell'ingranaggio.