Acero para engranajes: propiedades y descripción general de aplicaciones clave

El acero para engranajes es una categoría especializada de acero de aleación, diseñado principalmente para la fabricación de engranajes y otros componentes que requieren alta resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste. Generalmente clasificado como acero de aleación de medio carbono, el acero para engranajes suele contener cantidades significativas de elementos de aleación como cromo, níquel y molibdeno, que mejoran sus propiedades mecánicas y su rendimiento en aplicaciones exigentes.

Descripción general completa

Los aceros para engranajes están diseñados para soportar las rigurosas exigencias de las aplicaciones mecánicas, especialmente en maquinaria automotriz e industrial. Los principales elementos de aleación en los aceros para engranajes, como el carbono (C), el cromo (Cr) y el níquel (Ni), desempeñan un papel crucial en la definición de sus características. El contenido de carbono suele oscilar entre el 0,15 % y el 0,25 %, lo que proporciona dureza y resistencia, mientras que el cromo y el níquel contribuyen a la tenacidad y la resistencia al desgaste y la fatiga.

Las características más significativas del acero para engranajes incluyen:

• Alta resistencia y dureza : esencial para aplicaciones de soporte de carga.
• Excelente resistencia al desgaste : reduce la tasa de pérdida de material durante la operación.
• Buena tenacidad : evita fallas frágiles bajo cargas de impacto.

Ventajas :
- Mayor durabilidad : los aceros para engranajes están diseñados para soportar condiciones de alto estrés, lo que los hace ideales para aplicaciones de trabajo pesado.
- Tratamiento térmico versátil : pueden tratarse térmicamente para lograr las propiedades mecánicas deseadas, lo que permite la personalización en función de los requisitos de aplicación específicos.

Limitaciones :
- Costo : Los elementos de aleación pueden incrementar los costos de producción en comparación con los aceros al carbono estándar.
- Soldabilidad : Algunos aceros para engranajes pueden tener una soldabilidad limitada debido a su contenido de aleación, lo que requiere una selección cuidadosa de los procesos de soldadura y los materiales de relleno.

Históricamente, los aceros para engranajes han desempeñado un papel fundamental en el desarrollo de maquinaria, impulsando avances en los sectores automotriz e industrial. Su posición en el mercado se mantiene sólida, gracias a las constantes innovaciones en la composición de las aleaciones y los procesos de tratamiento térmico para mejorar el rendimiento.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	Engranajes 8620	EE.UU	Equivalente más cercano a AISI 8620
AISI/SAE	8620	EE.UU	Se utiliza comúnmente para engranajes y ejes.
ASTM	A3042	EE.UU	Especificación de aceros para engranajes
ES	20MnCr5	Europa	Propiedades similares, pequeñas diferencias de composición
ESTRUENDO	1.6523	Alemania	Equivalente a AISI 8620
JIS	SNCM220	Japón	Comparable con ligeras variaciones en los elementos de aleación.

La tabla anterior destaca diversas normas y equivalencias para el acero para engranajes. Cabe destacar que, si bien grados como AISI 8620 y EN 20MnCr5 suelen considerarse equivalentes, pequeñas diferencias en la composición pueden influir en las características de rendimiento, especialmente en términos de templabilidad y tenacidad.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	0,15 - 0,25
Cr (cromo)	0,4 - 0,6
Ni (níquel)	0,5 - 1,0
Mo (molibdeno)	0,15 - 0,25
Mn (manganeso)	0,6 - 0,9
Si (silicio)	0,2 - 0,5

La función principal de los elementos de aleación clave en el acero para engranajes incluye:

• Carbono (C) : Aumenta la dureza y la resistencia a la tracción, crucial para aplicaciones de soporte de carga.
• Cromo (Cr) : Mejora la templabilidad y la resistencia al desgaste, mejorando el rendimiento del acero bajo tensión.
• Níquel (Ni) : mejora la tenacidad y la ductilidad, lo que ayuda a prevenir fallas frágiles.
• Molibdeno (Mo) : Contribuye a la resistencia a temperaturas elevadas y mejora la templabilidad.

Propiedades mecánicas

Propiedad	Condición/Temperamento	Temperatura de prueba	Valor/rango típico (métrico)	Valor/rango típico (imperial)	Norma de referencia para el método de prueba
Resistencia a la tracción	Templado y revenido	Temperatura ambiente	800 - 1000 MPa	116.000 - 145.000 psi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	600 - 850 MPa	87.000 - 123.000 psi	ASTM E8
Alargamiento	Templado y revenido	Temperatura ambiente	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Dureza (HRC)	Templado y revenido	Temperatura ambiente	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
Resistencia al impacto (Charpy)	Templado y revenido	-20 °C (-4 °F)	30 - 50 J	22 - 37 pies-lbf	ASTM E23

La combinación de estas propiedades mecánicas hace que el acero para engranajes sea especialmente adecuado para aplicaciones con cargas dinámicas y entornos de alta tensión. Sus altos límites de tensión y elasticidad garantizan la integridad estructural, mientras que su adecuada elongación y resistencia al impacto brindan seguridad contra fallos repentinos.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (métrico)	Valor (Imperial)
Densidad	Temperatura ambiente	7,85 g/cm³	0,284 lb/pulgada³
Punto/rango de fusión	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Conductividad térmica	Temperatura ambiente	45 W/m·K	31,2 BTU·pulgada/(hora·pie²·°F)
Capacidad calorífica específica	Temperatura ambiente	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Resistividad eléctrica	Temperatura ambiente	0,0001 Ω·m	0,0001 Ω·pulgada

Propiedades físicas clave, como la densidad y la conductividad térmica, son importantes para aplicaciones donde el peso y la disipación de calor son cruciales. La densidad relativamente alta contribuye a la resistencia general de los componentes, mientras que la conductividad térmica afecta los procesos de tratamiento térmico y las temperaturas de operación.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C/°F)	Clasificación de resistencia	Notas
cloruros	3-5	25 °C (77 °F)	Justo	Riesgo de picaduras
Ácido sulfúrico	10	20°C (68°F)	Pobre	No recomendado
Agua de mar	-	25 °C (77 °F)	Justo	Resistencia moderada

El acero para engranajes presenta una resistencia moderada a la corrosión, especialmente en entornos con cloruros y condiciones ácidas. Es susceptible a la corrosión por picaduras y al agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) en entornos ricos en cloruros. A diferencia de los aceros inoxidables, los aceros para engranajes requieren recubrimientos protectores o tratamientos superficiales para prolongar su vida útil en aplicaciones corrosivas.

En comparación con otros grados de acero, como 4140 y 4340, el acero para engranajes generalmente ofrece una mejor resistencia al desgaste, pero puede ser menor en resistencia a la corrosión, lo que requiere una selección cuidadosa en función del entorno operativo.

Resistencia al calor

Propiedad/Límite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observaciones
Temperatura máxima de servicio continuo	300°C	572°F	Más allá de esto, las propiedades se degradan.
Temperatura máxima de servicio intermitente	400°C	752°F	Adecuado para exposiciones de corta duración.
Temperatura de escala	600°C	1112°F	Riesgo de oxidación por encima de esta temperatura.

A temperaturas elevadas, el acero para engranajes mantiene sus propiedades mecánicas hasta cierto límite, más allá del cual puede producirse oxidación e incrustaciones. Esto lo hace adecuado para aplicaciones con altas temperaturas intermitentes, pero debe evitarse la exposición continua para prevenir la degradación.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
MIG	ER70S-6	Argón/CO2	Bueno para secciones delgadas
TIG	ER80S-Ni	Argón	Preferido para soldaduras de precisión
Palo	E7018	-	Adecuado para secciones más gruesas.

El acero para engranajes puede soldarse mediante diversos procesos, pero a menudo es necesario precalentarlo y aplicarle un tratamiento térmico posterior para evitar el agrietamiento. La elección del metal de aportación es crucial para garantizar la compatibilidad y mantener las propiedades mecánicas.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	Acero para engranajes (AISI 8620)	Acero de referencia (AISI 1212)	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	60%	100%	Menor maquinabilidad debido a elementos de aleación
Velocidad de corte típica (torneado)	30-50 m/min	60-80 m/min	Ajuste por desgaste de la herramienta

La maquinabilidad es un factor crítico en la producción de componentes de engranajes. El acero para engranajes suele tener menor maquinabilidad que los aceros de fácil mecanizado, lo que requiere el uso de herramientas de corte de alta calidad y parámetros de mecanizado optimizados.

Formabilidad

El acero para engranajes presenta una conformabilidad moderada, ideal para procesos de conformado en frío y en caliente. Sin embargo, debido a su contenido de aleación, puede experimentar endurecimiento por acritud, lo que requiere un control cuidadoso de los radios de curvatura y las técnicas de conformado para evitar el agrietamiento.

Tratamiento térmico

Proceso de tratamiento	Rango de temperatura (°C/°F)	Tiempo típico de remojo	Método de enfriamiento	Propósito principal / Resultado esperado
Recocido	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 horas	Aire	Reducir la dureza, mejorar la ductilidad.
Temple	850 - 900 °C / 1562 - 1652 °F	30 minutos	Aceite/Agua	Aumentar la dureza
Templado	150 - 300 °C / 302 - 572 °F	1 hora	Aire	Reduce la fragilidad, mejora la tenacidad.

Los procesos de tratamiento térmico influyen significativamente en la microestructura y las propiedades del acero para engranajes. El temple aumenta la dureza, mientras que el revenido ayuda a aliviar las tensiones y a mejorar la tenacidad, haciéndolo adecuado para aplicaciones exigentes.

Aplicaciones típicas y usos finales

Industria/Sector	Ejemplo de aplicación específica	Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación	Motivo de la selección
Automotor	Engranajes de transmisión	Alta resistencia, resistencia al desgaste.	Esencial para la durabilidad bajo carga.
Aeroespacial	Cajas de cambios	Tenacidad, resistencia a la fatiga	Crítico para la seguridad y el rendimiento
Maquinaria industrial	Sistemas transportadores	Resistencia al desgaste, resistencia al impacto.	Garantiza la longevidad en entornos hostiles.

Otras aplicaciones incluyen:

• Sistemas de engranajes marinos : se utilizan por su resistencia al desgaste y la fatiga.
• Equipo pesado : Los componentes como ejes y ejes de transmisión se benefician de una alta resistencia y tenacidad.

El acero para engranajes se elige para estas aplicaciones debido a su capacidad para soportar cargas elevadas y su durabilidad en entornos desafiantes.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	Acero para engranajes (AISI 8620)	Grado alternativo 1 (AISI 4140)	Grado alternativo 2 (AISI 4340)	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Alta resistencia	Mayor tenacidad	Mayor resistencia a la fatiga	4140 ofrece mejor tenacidad, 4340 mejor resistencia a la fatiga
Aspecto clave de la corrosión	Resistencia moderada	Resistencia moderada	Resistencia moderada	Todos requieren medidas de protección en entornos corrosivos.
Soldabilidad	Moderado	Bien	Justo	El 4140 es más fácil de soldar que el acero para engranajes.
Maquinabilidad	Más bajo	Moderado	Moderado	4140 y 4340 son más mecanizables
Formabilidad	Moderado	Moderado	Moderado	Todos presentan características de formabilidad similares.
Costo relativo aproximado	Moderado	Más alto	Más alto	El costo varía según los elementos de aleación.
Disponibilidad típica	Común	Común	Menos común	La disponibilidad puede afectar los plazos del proyecto

Al seleccionar el acero para engranajes, se deben considerar las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión, la soldabilidad y el costo. El acero para engranajes suele preferirse por su equilibrio entre resistencia y tenacidad, pero alternativas como AISI 4140 y 4340 pueden ser más adecuadas según los requisitos específicos de la aplicación.

En conclusión, el acero para engranajes es un material versátil y robusto, ideal para aplicaciones de alto rendimiento en diversas industrias. Sus propiedades únicas, combinadas con una cuidadosa selección y procesamiento, garantizan fiabilidad y durabilidad en entornos exigentes.