Una corona dentada se puede fabricar de dos formas fundamentalmente diferentes.Forjacomienza con una palanquilla de acero calentada que se deforma plásticamente bajo presión, para anillos, generalmente en un laminador de anillos que estira la palanquilla hasta convertirla en un anillo concéntrico y sin costuras.FundiciónComienza con acero fundido vertido en un molde, donde se solidifica en forma de anillo. Ambas rutas terminan en un engranaje en bruto que luego se mecaniza y se trata térmicamente, pero la estructura interna del metal es completamente diferente, y esa diferencia determina cómo se comporta el anillo bajo carga, cuánto dura y cuánto cuesta.
Estructura interna: la verdadera diferencia
La diferencia más importante no se ve desde fuera. Un anillo forjado tiene unestructura densa y forjadacon una densidad casi total (normalmente alrededor del 99,8%) y las fuerzas de compresión de la forja cierran cualquier pequeño vacío que existiera en el tocho inicial. El flujo de grano metálico es alargado y discurre circunferencialmente, siguiendo el contorno del anillo y la dirección en la que se cargarán los dientes del engranaje. Un anillo fundido se solidifica a partir de metal líquido, por lo que su estructura de grano es dendrítica y aleatoria, y puede contener porosidad, cavidades de contracción e inclusiones; la densidad suele ser inferior al 98%. Estos huecos internos son donde comienzan las grietas por fatiga. Para un anillo de engranaje que soporta millones de ciclos de carga, una estructura densa y alineada con los granos es una ventaja directa.
Propiedades mecánicas: los números cuentan la historia
Debido a esa diferencia estructural, los anillos de engranaje forjados y fundidos muestran una clara diferencia en las propiedades mecánicas, incluso cuando están fabricados con el mismo grado de aleación. Para un acero de aleación típico como el 42CrMo, un anillo forjado después del templado y revenido alcanza una resistencia a la tracción de aproximadamente 950 a 1100 MPa, un límite elástico de 600 a 900 MPa y una tenacidad al impacto de 40 a 80 J a -40 grados. Un anillo de acero fundido de química comparable alcanza aproximadamente 800 a 950 MPa de tracción, 300 a 450 MPa de rendimiento y 10 a 25 J de impacto a la misma temperatura. La vida a fatiga es donde la separación es más importante: los anillos forjados suelen durar entre dos y tres veces más bajo cargas cíclicas, con límites de fatiga por contacto un 20 % más altos y límites de fatiga por flexión entre un 15 y un 30 % más altos que los equivalentes fundidos. En servicio de campo, los anillos de engranaje forjados a menudo tienen una vida útil de 1,5 a 2 veces mayor que los anillos fundidos en la misma aplicación.
Tamaño y geometría: donde gana el casting
La forja no siempre es la mejor opción y la primera limitación es el tamaño. Los molinos de laminación de anillos y las prensas de forja tienen un límite superior de diámetro y peso, por lo que los anillos dentados muy grandes (los engranajes circulares que impulsan los hornos rotatorios, los molinos de bolas y los grandes secadores, a menudo de varios metros a más de diez metros de diámetro) simplemente no son prácticos de forjar. La fundición no tiene tal límite y los anillos muy grandes se pueden fundir en una sola pieza o ensegmentosque se atornillan entre sí para su transporte e instalación. La fundición también permite una geometría cercana a la forma neta, incluidas nervaduras, protuberancias y secciones transversales complejas que requerirían un mecanizado pesado a partir de una pieza en bruto forjada. Para un engranaje circular de baja velocidad y alto par en un horno de cemento, un anillo de acero fundido suele ser la opción económica y de ingeniería.
Costo y tiempo de entrega
Los anillos forjados son más caros por kilogramo de pieza terminada. El proceso de forjado en sí requiere herramientas, prensas y equipos de laminación de anillos, y la pieza en bruto generalmente tiene un margen de mecanizado mayor porque no tiene una forma casi neta: la utilización del material es menor y se dedican más horas al mecanizado. Los anillos fundidos utilizan el material de manera más eficiente, se pueden producir con menos mecanizado y generalmente son más baratos en tamaños medianos y grandes, especialmente cuando el diseño ya está establecido. Los plazos de entrega siguen el mismo patrón: un anillo fundido a menudo se puede producir y enviar más rápido que un equivalente forjado, particularmente para diámetros grandes donde la capacidad de forjado se reserva con mucha antelación. La contrapartida es que el comprador paga más por un anillo forjado pero obtiene una pieza más duradera y más resistente a la fatiga.
Coincidencia de aplicaciones
La elección correcta depende del deber.Anillos de engranaje forjadosse prefieren donde dominan la confiabilidad y la vida útil: cajas de engranajes de turbinas eólicas, transmisiones de camiones de minería, transmisiones aeroespaciales y de defensa, cajas de engranajes de alta velocidad, máquinas herramienta de precisión y piñones y anillos de engranajes pequeños muy cargados. En estas aplicaciones, una falla no planificada es costosa y la carga es cíclica y, a menudo, de alta velocidad.Anillos de engranaje fundidosson la opción práctica para accionamientos muy grandes, de baja velocidad y de alto par: engranajes circulares en hornos rotatorios y molinos de bolas, accionamientos de grandes ingenios azucareros, ruedas de dragado y anillos giratorios de grúas pesadas. El acero fundido moderno, cuando se normaliza, recoce y revende adecuadamente, puede ofrecer una resistencia a la tracción y una tenacidad al impacto que se aproxima a un anillo forjado del mismo grado, pero no puede igualar la vida a la fatiga y la densidad interna de una pieza forjada adecuadamente.
Tratamiento térmico y control de calidad.
Ambos procesos dependen del tratamiento térmico para alcanzar las propiedades finales, y el control de calidad es lo que diferencia a un buen proveedor de uno pobre. Los anillos forjados generalmente se normalizan después de la forja, luego se templan y revenen para lograr la dureza y tenacidad requeridas, y muchos compradores requierenpruebas ultrasónicas (UT) y pruebas de partículas magnéticas (MT)en el 100% de la producción para confirmar que no hay defectos internos o superficiales. Los anillos fundidos requieren normalización y recocido para refinar el grano fundido y aliviar la tensión residual de la solidificación, seguido de enfriamiento y revenido; Debido a que es más probable que las piezas fundidas contengan porosidades ocultas, la inspección radiográfica o ultrasónica es aún más importante. Un anillo fundido que se salta el tratamiento térmico o la inspección adecuados es una pieza mucho más riesgosa de lo que sugiere su hoja de especificaciones.
Conclusión
No existe un ganador universal: el mejor engranaje es el que se adapta a la aplicación. Los anillos forjados ganan en densidad interna, flujo de grano, resistencia, resistencia al impacto y especialmente en vida a la fatiga, lo que los convierte en la opción correcta para transmisiones de alta velocidad, muy cargadas y de confiabilidad crítica donde una falla es costosa. Los anillos fundidos ganan en tamaño máximo, geometría compleja, utilización de material casi neta y costo, lo que los convierte en la opción práctica para engranajes circulares muy grandes y de baja velocidad en hornos, molinos y equipos de procesos pesados. El tratamiento térmico y la inspección modernos reducen la brecha de rendimiento, pero no la eliminan. La decisión debe basarse en la carga, la velocidad, el tamaño y el coste del tiempo de inactividad, no en qué proceso suena más fuerte en un folleto de ventas.
