Guia de seleção de material de engrenagem: aço 45 vs 20CrMnTi vs aço inoxidável (e quando usar cada um)

Escrito por Derek|Automação Hansheng

A maioria das falhas nas engrenagens não começa na área de produção - elas começam no estágio de seleção do material.

É um erro mais comum do que a maioria dos engenheiros espera. Alguns usam como padrão o aço 45 por hábito, não porque a aplicação assim o exija. Outros especificam o aço inoxidável "apenas por segurança", apenas para descobrir que ele apresenta desempenho inferior em resistência ao desgaste e inflaciona o custo em 3–5x sem nenhum benefício real.

A verdade é que não existe o “melhor” material de aço para engrenagens. Existe apenas o material certo para seus requisitos específicos de carga, velocidade, ambiente e precisão.

Este artigo explicará três materiais de engrenagem amplamente utilizados -aço 45, 20CrMnTi e aço inoxidável (304/316) - e elaborará suas respectivas vantagens e desvantagens, na esperança de ajudá-lo na seleção do material.

Quando você tem um fornecedor de engrenagens experiente, talvez não precise se preocupar muito com a seleção do material da engrenagem, pois seu fornecedor pode cuidar disso para você. Na realidade, porém, a seleção do material é muito importante. Sem o aconselhamento de um fornecedor experiente, tomar uma decisão rápida sobre qual material utilizar muitas vezes leva a riscos potenciais.

Dos dois cenários acima, a escolha do material errado traz não apenas questões de custos, mas também problemas relacionados ao tratamento térmico, usinagem de precisão, prazos de entrega e assim por diante.

Os três materiais que cobrem a grande maioria das aplicações de engrenagens industriais são aço 45, 20CrMnTi e aço inoxidável - e cada um tem uma faixa claramente definida.

Se houver um material de engrenagem padrão na fabricação industrial em geral, é o aço 45. Conhecido internacionalmente comoAISI 1045 (EUA), S45C (Japão), ouC45 (Europa), esse aço de médio-carbono tem sido a-escolha preferida há décadas.

Por que funciona bem

Com um teor de carbono de aproximadamente 0,45%, o aço 45 fica em um ponto ideal prático: duro o suficiente para suportar cargas moderadas, resistente o suficiente para não rachar sob choque e macio o suficiente em seu estado pré-tratado para usinar de forma limpa e eficiente. Após o tratamento de têmpera-e-de revenimento, a dureza da superfície atinge HRC 28–35, o que fornece resistência ao desgaste adequada para ciclos de trabalho baixos-a{9}}médios.

O custo é outro fator importante. Em comparação com os aços-liga para engrenagens, o aço 45 apresenta o menor custo de material, o menor prazo de entrega e a maior disponibilidade nas cadeias de fornecimento globais. Para projetos em que o orçamento e a velocidade-de{4}}entrega são importantes, geralmente esse é o único ponto de partida lógico.

Isso limita

O tratamento de têmpera-e-de têmpera introduz distorção térmica mensurável, o que limita a precisão alcançável a aproximadamente grau ISO 7–8. A retificação pós-tratamento-térmico-pode recuperar alguma precisão, mas acrescenta custos e etapas de processo que começam a minar a vantagem econômica do material.

Mais importante ainda, o aço 45 não pode ser cementado para atingir as superfícies endurecidas que as aplicações de alto-ciclo e alta{3}}tensão de contato-exigem. Se sua engrenagem estiver funcionando continuamente, transmitindo torque significativo ou operando dentro de um redutor de precisão, o teto de dureza superficial HRC 28–35 se tornará uma restrição real - e não teórica.

Melhor para:Acionamentos industriais em geral, sistemas de transporte, equipamentos agrícolas, transmissões de carga média-de baixa-velocidade e qualquer aplicação em que a precisão ISO Grau 7–8 seja aceitável.

Não é adequado para:Redutores de precisão, atuadores de juntas robóticas, unidades de serviço contínuo-de alta-velocidade ou qualquer aplicação que exija ISO Grau 6 ou superior.

Quando o cenário de aplicação de engrenagens excede os limites de desempenho oferecidos pelo aço 45, existe outra opção relativamente adequada -aço 20CrMnTi. Este material é amplamente utilizado em transmissões automotivas, redutores planetários e dispositivos de acionamento industrial de alta precisão na China. No mesmo nível de preço, o aço 20CrMnTi apresenta alto desempenho em dureza superficial, tenacidade do núcleo e estabilidade dimensional após tratamento térmico.

O que torna o 20CrMnTi diferente

O 20CrMnTi é um aço de liga de baixo-carbono com teor de carbono de apenas 0,17–0,23%. Por si só, isso não é carbono suficiente para atingir uma dureza superficial significativa. O núcleo com baixo teor de carbono permanece resistente e-resistente a choques mesmo após o tratamento térmico - é o processo de cementação que transforma a superfície do dente.

Após a cementação e têmpera, a dureza da caixa atinge HRC 58–62, enquanto o núcleo mantém uma dureza de HB 220–260. Essa estrutura rígida-por fora e resistente-por dentro é o que permite que as engrenagens 20CrMnTi suportem altas tensões de contato na superfície do dente sem se tornarem quebradiças na raiz - onde as fraturas por fadiga por flexão normalmente começam.

O conteúdo de titânio desempenha um papel fácil de ignorar: ele refina a estrutura do grão nas temperaturas de cementação, o que limita diretamente a distorção térmica durante o tratamento térmico. Menos distorção significa que a geometria da engrenagem sobrevive ao processo mais intacta, e operações de acabamento duro, como fresagem dura ou raspagem de engrenagens, podem consistentemente levar as peças ao Grau ISO 5 –6 - um aço de nível 45 simplesmente não consegue alcançar através da mesma cadeia de processo.

Internacionalmente, 20CrMnTi é mais equivalente aSAE 8620 (EUA)e20MnCr5 (Europa),embora não seja um substituto exato, - os perfis de força do núcleo são diferentes. Se você estiver adquirindo engrenagens de um fabricante chinês e seu desenho especificar 8620, então, 20CrMnTi pode ser discutido como uma solução alternativa equivalente.

Custo no contexto

O custo do material é aproximadamente 1,5–2 vezes maior que o do aço 45, e a cadeia completa do processo - cementação, têmpera, revenido e acabamento duro - aumenta o custo total da peça. Mas o seu desempenho será significativamente melhorado.

Melhor para: Engrenagens de anel redutor planetário, engrenagens articuladas do robô,acionamentos de máquinas de tabaco, engrenagens de transmissão automotiva e qualquer aplicação onde seja necessária precisão ISO Grau 5–6 e longa vida útil sob carga cíclica.

 

Não é adequado para:Ambientes corrosivos, equipamentos de processamento de alimentos ou aplicações médicas onde o contato do material com fluxos de produtos exige resistência à corrosão - 20O CrMnTi não tem proteção inerente contra ferrugem.

Vamos abordar antecipadamente um equívoco comum: engrenagens de aço inoxidável não são engrenagens melhores. São as engrenagens certas para um problema específico - ambientes corrosivos - e as engrenagens erradas para quase todo o resto.

304 vs. 316: entendendo a diferença

Ambas as classes são aços inoxidáveis ​​austeníticos, o que significa que sua resistência à corrosão vem do cromo, formando uma camada passiva de óxido na superfície. A principal distinção entre os dois graus se resume ao molibdênio: 316 contém 2–3% de molibdênio, o que aumenta drasticamente a resistência à corrosão por picadas de cloreto e corrosão em fendas. Zhygear - o tipo de ataque que ocorre em água salgada, ambientes marinhos e fluxos de processamento químico. 304 lida bem com a umidade geral e a exposição industrial moderada. Se houver cloretos na imagem, 316 é a escolha correta.

Por que o aço inoxidável tem um desempenho inferior como material de engrenagem

Aqui está o que a maioria das folhas de especificações não diz: 304 e 316 são classes austeníticas, o que significa que não podem ser endurecidos por meio de tratamento térmico convencional. Não há rota de cementação, nem ciclo de têmpera-e-de revenido que aumente significativamente a dureza da superfície. Na prática, as engrenagens de aço inoxidável operam em níveis de dureza muito abaixo daqueles obtidos com o aço 20CrMnTi ou mesmo com o aço 45 após a têmpera -, o que se traduz diretamente em menor resistência ao desgaste, maior suscetibilidade à fadiga superficial e um teto de precisão prático em torno do Grau ISO 7.

A usinabilidade agrava a questão do custo. Ambas as classes trabalham-endurecem rapidamente durante o corte, acelerando o desgaste da ferramenta e exigindo taxas de avanço mais lentas. O custo da peça acabada é significativamente mais alto do que o do aço-liga para geometria equivalente - não porque o material em si seja dramaticamente mais caro, mas porque o processo de usinagem é mais exigente.

Quando o aço inoxidável é a resposta certa

Em equipamentos de processamento de alimentos, dispositivos médicos, unidades marítimas e sistemas de manuseio de produtos químicos, a questão do material das engrenagens não se trata de otimizar o desempenho - mas sim de conformidade regulatória, risco de contaminação e falhas causadas por corrosão-. Nesses contextos, o aço inoxidável não é uma opção entre várias. É a única opção viável.

Use 304 para ambientes higiênicos gerais e levemente corrosivos. Especifique 316 sempre que a exposição a cloretos, lavagens ácidas ou contato com água salgada fizerem parte da realidade operacional.

Melhor para:Máquinas de processamento de alimentos, equipamentos farmacêuticos, unidades para ambientes marinhos, transportadores de fábricas de produtos químicos e qualquer aplicação em que o contato com fluxos de produtos ou agentes de limpeza agressivos torne a resistência à corrosão um requisito não{0}}negociável.

Não é adequado para:Acionamentos de precisão de alto-ciclo, atuadores robóticos, transmissões de alta-carga ou qualquer aplicação em que a resistência ao desgaste dos dentes e a longa vida útil à fadiga sob tensão de contato sejam as principais restrições do projeto. Se a sua aplicação não envolver uma ameaça genuína de corrosão, o aço inoxidável aumenta o custo e reduz o desempenho - simultaneamente.

As três seções acima cobrem o raciocínio por trás de cada material. Se você precisar de uma referência rápida - ou quiser algo para compartilhar com sua equipe antes de finalizar uma especificação - esta tabela resume os principais fatores de decisão em um só lugar.

Os três materiais acima cobrem a maioria das aplicações de engrenagens industriais. Mas duas categorias adicionais merecem uma breve menção para casos extremos.

42CrMo

Quando as cargas excedem o que o 20CrMnTi pode suportar, o 42CrMo normalmente é o próximo passo. Esse aço de liga de cromo-molibdênio oferece maior resistência à tração e temperabilidade superior, tornando-o o material preferido para engrenagens de módulos-grandes em equipamentos de mineração, caixas de engrenagens-para serviços pesados ​​e unidades industriais de alto-torque. Não é uma atualização-de uso geral -, a resistência adicional vem com maior dificuldade de usinagem e custo mais alto -, mas em condições de carga genuinamente exigentes, é a escolha certa.

Plásticos de Engenharia (POM / Nylon / PEEK)

Para aplicações com-carga leve, baixo-ruído ou sem lubrificação-, os plásticos de engenharia oferecem uma alternativa atraente às engrenagens totalmente metálicas. POM (Delrin) oferece boa estabilidade dimensional e baixo atrito para automação de escritório e dispositivos de consumo. O nylon absorve choques e funciona silenciosamente em unidades-de baixa velocidade. O PEEK lida com temperaturas elevadas e exposição química onde os plásticos padrão falham. Nenhum deles se compara ao aço em capacidade de carga - mas no contexto certo, eles não precisam.

Você não precisa ter o material finalizado antes de entrar em contato. Na verdade, se você ainda está avaliando opções, esse é exatamente o momento certo para nos envolver.

Ao enviar um desenho ou solicitação de cotação, basta nos informar as condições operacionais mais importantes para sua aplicação:

Tipo e magnitude da carga - contínua, de choque ou cíclica? Serviço leve, médio ou pesado?

Velocidade operacional - drives de baixa-velocidade e fusos de{2}}alta velocidade têm perfis de fadiga de superfície muito diferentes

Ambiente - padrão industrial, úmido, corrosivo, contato-com alimentos ou alta-temperatura?

Requisito de precisão - você tem uma classificação ISO alvo ou uma tolerância a erros de folga/transmissão?

Volume e orçamento - a escolha do material geralmente muda quando as quantidades de produção mudam

Com essas informações, nossa equipe de engenharia pode recomendar o material de aço para engrenagens mais apropriado - e sinalizar se o tratamento térmico ou processo de acabamento implícito em sua especificação adiciona custos desnecessários ao seu caso de uso real.

Se o seu desenho já especifica um material, nós trabalharemos nisso. Se disser "ou equivalente", diremos o que equivalente significa na prática.

Não tem certeza de qual material se adapta à sua aplicação?

Como profissionalfabricante de engrenagens de precisão, podemos fornecer uma seleção de materiais profissional e confiável. Esteja você trabalhando a partir de um desenho finalizado ou ainda no estágio inicial do projeto, nossa equipe pode analisar seus requisitos e recomendar o material, a rota de tratamento térmico e o grau de precisão corretos para sua aplicação específica - sem especificações excessivas e sem cortes.

Faça uma cotação

Envie-nos seu desenho ou descreva sua aplicação - retornaremos com uma recomendação de material e um plano de usinagem.