La scelta tra ghisa e acciaio per un ingranaggio non è semplicemente una questione di resistenza — è un compromesso tra capacità di carico, rumore, costo, lavorabilità e ambiente di funzionamento. Gli ingranaggi in ghisa sono usati da oltre un secolo in tutto, dalle macchine utensili alle attrezzature agricole, e gli ingranaggi in acciaio dominano le applicazioni ad alte prestazioni e carichi pesanti. Capire dove ogni materiale eccelle — e dove no — evita sia la sovradimensionamento che la sottospecifica.
La ghisa grigia è il materiale tradizionale per carichi da leggeri a medi. Le sue scaglie di grafite le conferiscono un'eccellente capacità di smorzamento, che rende gli ingranaggi in ghisa notevolmente più silenziosi di quelli in acciaio nella stessa applicazione. La ghisa grigia è anche facile da lavorare, autolubrificante in una certa misura perché il grafite agisce come lubrificante secco, ed economica sia in materia prima che in costo di fusione. Il limite è la resistenza: la ghisa grigia ha una resistenza a trazione di circa 150–300 MPa ed è fragile, quindi non tollera carichi d'urto o sollecitazioni di flessione che un ingranaggio in acciaio assorbirebbe senza danni. È la scelta giusta per azionamenti di trasportatori, cambi di macchine utensili e applicazioni simili a carico costante dove il rumore conta e la coppia di picco è moderata.
La ghisa duttile (sferoidale) si colloca tra la ghisa grigia e l'acciaio. Il grafite è in forma sferica invece che a scaglie, il che conferisce alla ghisa duttile una resistenza a trazione di 400–900 MPa e una resistenza all'urto molto migliore della ghisa grigia, mantenendo la maggior parte dei vantaggi di smorzamento e lavorabilità della ghisa. Ad esempio, la ghisa duttile grado 65-45-12 può essere usata per ingranaggi che prima richiedevano acciaio, a costo inferiore e con miglior comportamento acustico. La ghisa duttile può anche essere temprata superficialmente per induzione o fiamma per migliorare la resistenza all'usura, anche se la durezza raggiungibile è inferiore a quella dell'acciaio temprato o cementato. Sta diventando sempre più la scelta predefinita per ingranaggi industriali di servizio medio dove il costo dell'acciaio è difficile da giustificare.
Gli ingranaggi in acciaio sono la risposta quando capacità di carico, resistenza all'urto o durata sono la priorità. Acciai al carbonio e legati come 45#, 40Cr, 20CrMnTi e 42CrMo offrono resistenze a trazione da 600 MPa a oltre 1.200 MPa dopo trattamento termico, e possono essere temprati, cementati o temprati per induzione per produrre fianchi da 58–62 HRC con un nucleo tenace e resistente all'urto. L'acciaio è l'unica scelta pratica per riduttori ad alta velocità, attrezzature minerarie, azionamenti di gru e qualsiasi applicazione dove l'ingranaggio deve sopravvivere a sovraccarichi occasionali senza rottura del dente. I compromessi sono un costo di materiale e lavorazione più elevato, e il fatto che gli ingranaggi in acciaio sono più rumorosi di quelli in ghisa equivalenti, a meno che il profilo del dente non sia rettificato o lappato a una classe di precisione elevata.
Il trattamento termico è dove le due famiglie di materiali divergono di più. Gli ingranaggi in ghisa sono tipicamente usati allo stato grezzo di fusione o con un ricotto di distensione; l'indurimento superficiale è possibile ma limitato in profondità e durezza. Gli ingranaggi in acciaio, al contrario, sono quasi sempre trattati termicamente — tempra completa a 280–320 HB per uso generale, o cementazione e tempra a 58–62 HRC per alte prestazioni. Lo strato cementato fornisce un fianco duro e resistente all'usura mentre il nucleo rimane tenace, la combinazione ideale per ingranaggi che subiscono sia alta tensione di contatto che carichi d'urto. Un errore comune è specificare un ingranaggio in acciaio cementato per un'applicazione a basso carico e bassa velocità — il costo extra non porta alcun beneficio funzionale, e un ingranaggio in ghisa duttile avrebbe funzionato altrettanto bene a un prezzo inferiore.
Nel nostro stabilimento lavoriamo ingranaggi in ghisa grigia, ghisa duttile e tutta una gamma di acciai al carbonio e legati, con trattamento termico e prova di durezza interni. Inviateci la vostra coppia, velocità, profilo di carico d'urto e requisiti di rumore, e vi consiglieremo il materiale e il trattamento termico che soddisfano la specifica al minor costo — invece di usare l'acciaio per impostazione predefinita per ogni ingranaggio.