La vita di un ingranaggio si decide molto prima che il primo dente venga tagliato: si decide il giorno in cui si sceglie il grado del materiale e si definisce il percorso di trattamento termico. Due ingranaggi con geometria, precisione e finitura superficiale identici possono, in servizio, avere una vita anche dieci volte diversa, semplicemente perché uno è stato realizzato con l'acciaio giusto e indurito correttamente, e l'altro no. Per i progettisti e gli ingegneri acquisti, la scelta di materiale e trattamento è la decisione a maggior leva in un programma sugli ingranaggi: essa fissa il limite di fatica per contatto, la resistenza a flessione al piede del dente, la velocità di usura, il comportamento acustico e, in ultima analisi, se l'ingranaggio raggiunge la vita nominale oppure si rompe nel primo anno. Questa guida illustra i materiali per ingranaggi di uso comune, i percorsi di trattamento termico e come bilanciare una superficie del dente dura e resistente all'usura con un nucleo tenace e resistente all'urto.
L'errore più comune è trattare la «durezza» come l'unico obiettivo. Un ingranaggio troppo duro su tutta la sezione diventa fragile e si spezza sotto carico d'urto; un ingranaggio che resta molle si usura in fretta e sviluppa puntinamento sulla linea di passo. Il vero obiettivo è un gradiente controllato: una superficie dura, liscia e in compressione residua che resista a puntinamento e usura, sostenuta da un nucleo duttile e tenace che assorbe flessione e urto senza creparsi. Quasi ogni trattamento termico per ingranaggi esiste per creare esattamente questo gradiente, e il grado del materiale decide quanto può essere ripido e affidabile questo gradiente.
Gli acciai al carbonio e a basso lega sono i cavalli di battaglia degli ingranaggi su misura. L'acciaio al carbonio 45# (grosso modo equivalente all'AISI 1045) è la scelta economica predefinita per carichi leggeri e medi, riduttori a bassa velocità e macchine in genere; viene normalizzato oppure bonificato a 220–280 HB e può essere indurito per induzione sul fianco per maggiore resistenza all'usura dove la tensione di contatto è moderata. Per carichi più alti, il 40Cr (simile all'AISI 5140) e soprattutto il 42CrMo (simile all'AISI 4140) offrono temprabilità e resistenza del nucleo nettamente superiori, il che conta non appena la sezione dell'ingranaggio supera i circa 50 mm; questi acciai medio-legati sono di solito induriti per induzione oppure bonificati a 280–340 HB, per una flessione robusta senza il costo della cementazione integrale.
Quando il carico è pesante, la velocità è elevata oppure si prevedono urti e carichi alternati, il progetto passa agli acciai da cementazione. Il 20CrMnTi è l'acciaio da cementazione standard per ingranaggi in Cina e il grado che lavoriamo più spesso per riduttori, scatole ingranaggi e trasmissioni automotive; il 20CrMo e il 20CrMnMo sono alternative vicine, con maggiore temprabilità per sezioni più grandi. Questi acciei partono a basso tenore di carbonio, così il nucleo resta naturalmente tenace. Dopo la lavorazione, i denti vengono cementati per alzare il carbonio solo in un sottile strato superficiale, poi temprati e rinvenuti, ottenendo una superficie del dente a 58–62 HRC su un nucleo duttile di circa 30–45 HRC. Questa combinazione — pelle dura, nucleo tenace — è ciò che conferisce all'ingranaggio cementato l'elevata resistenza a fatica di contatto e a fatica di flessione, ed è la scelta predefinita per ogni ingranaggio destinato a funzionare per decine di migliaia di ore.
Oltre agli acciai legati, entrano in gioco altri materiali laddove una condizione specifica lo richiede. Gli acciai inossidabili 304 e 316 si scelgono per ambienti corrosivi, alimentari, medicali o lavabili, ma non possono essere induriti fino alla durezza da ingranaggio e sono limitati ai servizi leggeri; dove serve la resistenza dell'inossidabile, il 17-4PH (630) a precipitazione raggiunge circa 300–380 HB ed è un compromesso pratico. La ghisa grigia e quella sferoidale (ad esempio GG25 e QT600) sono apprezzate per l'ottima lavorabilità, l'attenuazione delle vibrazioni e la bassa rumorosità, ecco perché compaiono in pompe, riduttori leggeri e trasmissioni sensibili al rumore, ma la loro minore resistenza le confina a tensioni di contatto e flessione moderate. Gli ingranaggi in metallurgia delle polveri sinterizzate sono near-net-shape, costanti in serie e possono persino essere autolubrificati tramite porosità controllata, ma la loro minore resistenza effettiva li colloca in applicazioni a basso moto e alto volume, come ufficio e piccoli motori.
Il percorso di trattamento si sceglie insieme al grado. La cementazione e tempra è la via premium per acciai tipo 20CrMnTi: offre lo strato più profondo e resistente a fatica e il miglior stato di compressione residua superficiale, al prezzo di una certa deformazione che va eliminata con la rettifica di finitura. La tempra a induzione si adatta agli ingranaggi a medio carbonio 40Cr e 45#: la superficie del dente viene riscaldata e temprata in modo localizzato, il ciclo è rapido, la deformazione è minore della cementazione, ed è economica per ingranaggi grandi, singoli o di piccola serie dove la cementazione integrale sarebbe costosa. La nitrurazione è il trattamento di finitura a bassissima deformazione: i pezzi vengono rinvenuti e la superficie è arricchita di azoto a bassa temperatura, raggiungendo 650 HV o più senza quasi deformazione da tempra, ideale per ingranaggi di precisione che non tollerano sovrametallo di rettifica; lo strato è però sottile, quindi è adatto a elevata usura e basso urto, non a urto pesante. La bonifica dà una durezza uniforme su tutta la sezione di 220–320 HB per una flessione equilibrata e prevedibile, e la normalizzazione affina la microstruttura come base per ingranaggi non sollecitati che non saranno induriti in superficie.
La profondità efficace dello strato indurito (CHD) è la decisione successiva, ed è il punto in cui molti ingranaggi sono sottodimensionati. Lo strato deve essere abbastanza profondo da reggere la tensione di contatto hertziana e la flessione al piede del dente, ma abbastanza sottile da restare tenace e da non richiedere una rettifica costosa. Uno strato superficiale si consuma presto e poi va in puntinamento; uno strato eccessivamente profondo e fragile può sfaldarsi o creparsi sotto urto. Come regola pratica, gli ingranaggi cementati di servizio medio lavorano con una profondità efficace di circa 0,6–1,2 mm (misurata fino a 550 HV sulla curva di durezza), mentre moduli più grandi e carichi pesanti richiedono strati più profondi. Lo strato va specificato insieme alla finitura: se l'ingranaggio sarà rettificato dopo il trattamento, lo strato trattato deve essere più profondo della CHD finita, per lasciare materiale indurito dopo la rettifica.
Il legame tra materiale, trattamento e vita dell'ingranaggio è diretto. Il puntinamento per fatica di contatto, il guasto più comune, nasce in superficie, ed è quindi governato soprattutto da durezza superficiale, pulizia del materiale (contenuto di inclusioni) e compressione residua — ecco perché un 20CrMnTi finemente cementato e a grano raffinato batte su puntinamento di slancio un acciaio economico indurito su tutta la sezione. Le fratture a flessione al piede nascono nel raccordo, e dipendono quindi da tenacità del nucleo, durezza al piede e superficie liscia del raccordo; è esattamente il punto in cui un ingranaggio fragile e troppo indurito vi tradisce. L'usura adesiva e lo scuffing sono controllati da durezza superficiale e film lubrificante, mentre l'usura abrasiva cala bruscamente non appena la superficie supera circa 55 HRC. Scegliere grado e percorso significa quindi mappare prima di tutto la modalità di guasto attesa: se il rischio è il puntinamento, ottimizza durezza superficiale e profondità di strato; se il rischio è la rottura del dente sotto urto, proteggi il nucleo e il raccordo.
Nella richiesta d'offerta e nell'acquisto, un ingranaggio trattato non va mai ordinato solo con il nome del materiale. La richiesta deve indicare il grado, l'intervallo di durezza superficiale e la durezza del nucleo, la profondità efficace dello strato, se dopo il trattamento resta del sovrametallo di rettifica, e i documenti di controllo che l'acquirente si aspetta: un rilievo di durezza lungo profilo e piede del dente, una sezione attaccata per la profondità dello strato e i certificati del fornitore o del trattamento termico. Queste lacune sono la causa abituale del problema «due ingranaggi sembrano identici ma si comportano diversamente», perché durezza e profondità di strato variano dentro un pezzo così come tra pezzi.
Quale durezza superficiale deve raggiungere un ingranaggio indurito? Per gli ingranaggi cementati automotive e per riduttori, 58–62 HRC sul fianco è l'obiettivo di lavoro normale; gli ingranaggi a medio carbonio induriti per induzione di solito si attestano su 50–55 HRC, e quelli nitrurati sono quotati intorno a 650–900 HV anziché in HRC.
Quanto deve essere profondo lo strato indurito? Gli ingranaggi cementati di servizio medio usano comunemente 0,6–1,2 mm fino al limite di 550 HV, scalando con modulo e carico. Più lo strato è profondo, più la tenacità del nucleo si diluisce, quindi più profondo non è sempre meglio.
Quando la cementazione è meglio della tempra a induzione? La cementazione vince sugli ingranaggi pesanti, ad alta velocità e sotto urto, che necessitano di uno strato profondo resistente a fatica e di un nucleo tenace; la tempra a induzione vince sugli ingranaggi al carbonio o 40Cr a carico medio, dove velocità, bassa deformazione e costo pesano più della massima capacità di contatto.
Gli ingranaggi più duri durano sempre di più? No. La durezza superficiale resiste a usura e puntinamento, ma se l'intero pezzo è troppo duro e fragile, i denti si rompono. L'ingranaggio durevole è quello con il giusto gradiente tra durezza superficiale e tenacità del nucleo, non il numero di durezza più alto su un disegno.
Nella nostra fabbrica di Luoyang lavoriamo e trattiamo termicamente ingranaggi su misura in 20CrMnTi, 42CrMo, 40Cr, 45# e inossidabili, e forniamo a ogni ordine i certificati di durezza, profondità di strato e materiale. Inviateci il vostro disegno, il carico, la velocità e la vita attesa, e vi consiglieremo il grado, il percorso di trattamento e la profondità di strato che bilanciano resistenza all'usura e tenacità all'urto per la vostra applicazione — prima che l'ingranaggio venga tagliato, non dopo che ha ceduto in servizio.