Ghisa
Costo inferiore.
Auto-smorzante.
Fragile.

Ghisa grigia e sferoidale. Classe AGMA I/II. Ideale per applicazioni a basso impatto e ad alto volume, dove il costo iniziale è il fattore determinante nella decisione di acquisto.

Acciaio al carbonio e legato
Indurito superficialmente.
Duttile.
Vita Superiore.

1045, 4140, 8620. Durezza superficiale HRC 55–60 sulla superficie del dente. Richiesta per carichi d'urto, trasmissioni ad alto numero di cicli e qualsiasi applicazione in cui l'usura della superficie del dente determina la durata di servizio.

Pignoni in ghisa o in acciaio: le ragioni ingegneristiche a favore di ciascuno e quando la scelta è importante

Nel 2022, un mangimificio nella provincia del Chungcheong Settentrionale ha acquistato pignoni in ghisa per l'ammodernamento del suo nastro trasportatore: erano più economici di quelli in acciaio, il fornitore aveva confermato la compatibilità con la catena esistente e il responsabile della manutenzione aveva già utilizzato con successo pignoni in ghisa sullo stesso tipo di trasportatore in un precedente impianto. Diciotto mesi dopo, due delle dodici posizioni di azionamento presentavano fratture ai denti dei pignoni. Non usura, bensì fratture. I denti rotti si trovavano nelle posizioni in cui il trasportatore azionava il braccio di carico dell'elevatore a tazze, una posizione in cui la catena del trasportatore subisce un picco di tensione momentaneo ad ogni riempimento delle tazze durante la corsa discendente. I denti in ghisa si erano fratturati progressivamente, una punta per ogni ciclo di carico delle tazze, fino a quando non si sono rotti diversi denti e la catena si è disinnestata. La specifica di sostituzione prevedeva acciaio al carbonio 1045 con trattamento superficiale. Nessuna frattura nei successivi 30 mesi di funzionamento. Il risparmio iniziale ottenuto con il modello 35% sui pignoni in ghisa si è tradotto in costi di sostituzione e fermi macchina pari a circa otto volte il suo valore nell'arco di 18 mesi.

Le ruote dentate in ghisa rappresentano una specifica ingegneristica legittima per le applicazioni appropriate. L'errore non sta nello scegliere la ghisa, bensì nello sceglierla per applicazioni soggette a carichi d'urto, una condizione in cui la fragilità della ghisa trasforma un lieve sovraccarico del dente in una frattura completa, anziché nella deformazione plastica che si verificherebbe nell'acciaio.

ruota dentata 1

Le tre proprietà che determinano la scelta del materiale per la ruota dentata

Durezza della superficie del dente
→ regola la durata di usura

La durezza della superficie del dente determina la velocità con cui il rullo della catena si usura sul profilo del dente della ruota dentata. Una superficie del dente più dura si usura più lentamente a parità di sollecitazione di contatto del rullo. La ghisa allo stato grezzo ha una durezza della superficie del dente di 160-220 HB (HRC ~0-18). L'acciaio cementato raggiunge una durezza di 55-60 HRC sulla superficie del dente (circa 595-746 HB). La differenza di durezza è approssimativamente di 4-5:1 e il tasso di usura è approssimativamente proporzionale al quadrato del rapporto di durezza, il che significa che i denti in acciaio cementato si usurano a una velocità pari a circa 1/16-1/25 di quella dei denti in ghisa nello stesso sistema di trasmissione.

ghisa grigia
160–220 HB
acciaio cementato
HRC 55–60

Resistenza agli urti
→ regola la resistenza agli urti

La ghisa grigia ha una tenacità all'impatto con intaglio prossima allo zero: la microstruttura a scaglie di grafite crea concentrazioni di stress interne che si propagano come crepe sotto carico d'impatto. Un singolo impatto del dente al di sopra della soglia di tenacità alla frattura del materiale produce una frattura completa del dente. L'acciaio al carbonio (1045, 4140) ha valori di tenacità all'impatto di 30-80 J (Charpy), deformandosi plasticamente anziché fratturarsi sotto lo stesso carico d'impatto. Per le applicazioni soggette ad urti, questa differenza è determinante: il primo impatto che sovraccarica un dente in ghisa lo frattura; lo stesso sovraccarico su un dente in acciaio lo deforma leggermente, riducendo la geometria di contatto ma mantenendone la funzionalità.

ghisa grigia
~2–4 J
acciaio 1045
40–80 J

Smorzamento delle vibrazioni
→ regola il rumore

La ghisa grigia presenta una capacità di smorzamento delle vibrazioni superiore rispetto all'acciaio: la microstruttura a scaglie di grafite, che riduce la tenacità, fornisce al contempo attrito interno che dissipa l'energia vibratoria. Il coefficiente di smorzamento della ghisa grigia è circa 10-25 volte superiore a quello dell'acciaio al carbonio. Nelle applicazioni di trasmissione a catena ad alta velocità, dove il rumore di innesto dei rulli rappresenta un problema (ad esempio, azionamenti per macchine utensili, nastri trasportatori per strumentazione, azionamenti in prossimità di apparecchiature di misura di precisione), le ruote dentate in ghisa grigia riducono sensibilmente le vibrazioni trasmesse e il rumore acustico rispetto alle equivalenti in acciaio alla stessa velocità della catena.

ghisa grigia
Elevato smorzamento
acciaio al carbonio
Basso smorzamento
Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la proprietà che rende la ghisa una scelta inadatta per le applicazioni che assorbono gli urti, ovvero la sua microstruttura a scaglie di grafite, è esattamente la stessa proprietà che la rende migliore dell'acciaio per lo smorzamento delle vibrazioni. Le scaglie di grafite agiscono sia come inneschi di cricche sotto carico d'urto, sia come assorbitori di energia vibratoria durante il funzionamento a regime. Una ruota dentata in ghisa grigia in una trasmissione a catena liscia, ad alta velocità e a basso urto sarà più silenziosa e trasmetterà meno vibrazioni alle strutture adiacenti rispetto a una ruota dentata in acciaio. La stessa ruota dentata in un'applicazione di trasporto con carichi d'urto occasionali (cadute di materiale, avviamenti della catena inclinati, eventi di inceppamento e sblocco) si fratturerà. La scelta del materiale per le ruote dentate non si riduce semplicemente al principio "l'acciaio è meglio della ghisa", ma richiede l'identificazione della proprietà (resistenza all'usura, tenacità o smorzamento) che determina la specifica applicazione.

Confronto completo dei materiali: specifiche dei materiali per sette pignoni

Materiale Durezza del dente Resistenza agli urti Durata di usura (relativa) lavorabilità Costo (relativo) Applicazioni principali
Ghisa grigia (FC200) 160–200 HB Molto basso 1× (riferimento) Eccellente Minimo (1,0×) Trasportatore leggero, azionamento silenzioso ad alta velocità e a basso impatto sulle vibrazioni.
Ghisa duttile (FCD450) 180–240 HB Moderare 1,4× Bene 1,2–1,4× Urti moderati, agricoltura, industria a bassa velocità
Acciaio al carbonio C45 / 1045 (come lavorato) 200–250 HB Alto 1,5× Bene 1,3–1,6× Azionamenti industriali standard, foro liscio o conico
1045 / C45 cementato Superficie HRC 55–60 Alto 5–8× Buono (prima dell'indurimento) 1,8–2,5× La maggior parte delle trasmissioni di potenza industriali — specifiche standard
Acciaio legato 4140 / SCM440 (Q&T) 280–340 HB attraverso Molto alto 3–5× Moderare 2,0–3,0× Trasportatori ad alto impatto e per carichi pesanti, trasferimento a pressa
8620 cementato Superficie HRC 58–62 Molto alto 7–12× Moderare 2,5–3,5× Trasmissione automobilistica ad alto ciclo di funzionamento e indicizzazione di precisione.
acciaio inossidabile 304/316L 170–200 HB (come lavorato) Moderare 0,3–0,5× (inferiore all'intervallo di confidenza) Moderare 3–5× lavorazione alimentare, prodotti chimici, lavaggi frequenti: non resistente all'usura

Cementazione: perché il profilo del dente deve essere indurito dopo la lavorazione, non prima.

Pignoni per catene a rulli a singolo filo

La cementazione (o indurimento a induzione) introduce uno strato esterno duro (strato superficiale) sulla superficie del dente, mantenendo al contempo un nucleo tenace a bassa durezza al di sotto. Questa combinazione – superficie dura per la resistenza all'usura, nucleo tenace per la resistenza agli urti – è esattamente ciò che richiede il contatto catena-pignone: la superficie del dente deve resistere alle ripetute sollecitazioni di contatto dei rulli senza usurarsi, mentre la base del dente deve sopportare la sollecitazione di flessione dovuta alla trazione della catena senza fratturarsi.

La sequenza di produzione critica per la realizzazione di pignoni è la seguente: lavorazione del profilo del dente fino alle dimensioni finali, quindi cementazione e infine applicazione di una leggera finitura solo se necessaria per la precisione del foro. La tempra di un profilo del dente che non è ancora stato lavorato alle dimensioni finali non è pratica; la tempra a cuore di un pignone prima della lavorazione del dente riduce la durata degli utensili da taglio e produce una geometria del dente imprecisa. La fase di tempra deve seguire la lavorazione del profilo del dente.

La profondità della tempra superficiale per le ruote dentate è in genere specificata tra 0,8 e 1,5 mm per applicazioni con catene #60–#100. Una profondità inferiore a 0,8 mm rischia di provocare la rottura della tempra alla base del dente quando quest'ultimo si flette sotto la trazione della catena. Una profondità superiore a 1,5 mm rischia di rendere fragile l'intera sezione trasversale del dente se la profondità della tempra superficiale supera il 25-30% dello spessore totale del dente. Per applicazioni con carichi elevati, l'approccio corretto è specificare esplicitamente la profondità della tempra superficiale nell'ordine di acquisto, e non semplicemente indicare "temprata superficiale".

Matrice decisionale per la selezione dei materiali

Specificare la ghisa grigia quando:
  • Il caricamento è fluido (nessun urto, nessuna inversione, nessun inceppamento e successivo rilascio)
  • La velocità della catena è da moderata ad alta e la riduzione del rumore è importante.
  • Il budget è il vincolo principale con condizioni di carico regolari confermate
  • È richiesta una grande quantità (la ghisa consente di realizzare forme complesse in grandi quantità a basso costo).
  • La frequenza di sostituzione è prevedibile e pianificata: la modalità di guasto è l'usura, non la frattura.
Specificare l'acciaio 1045 cementato quando:
  • È presente o possibile qualsiasi carico d'urto (nastri trasportatori con caduta di materiale, trasferimento a pressione, funzionamento con avvio/arresto)
  • Un elevato numero di cicli richiede una maggiore durata del dente (turno × 365 giorni × pluriennale)
  • Il costo di un guasto imprevisto supera di gran lunga la differenza di costo tra ghisa e acciaio.
  • Il numero di denti è ridotto (inferiore a 17T): le ruote dentate più piccole presentano una maggiore sollecitazione per dente e richiedono migliori proprietà dei materiali.
  • Questa è la specifica standard per la maggior parte delle trasmissioni a catena industriali.
Specificare l'acciaio legato 4140/8620 quando:
  • Urti elevati e carichi elevati simultaneamente (azionamenti di frantoi, trasferimento a pressa con utensili pesanti)
  • È necessaria la massima durata dei denti (intervalli di manutenzione programmata pluriennali).
  • L'accesso al vialetto è difficoltoso per la manutenzione (giustificato dagli elevati costi di assistenza).
  • Azionamenti di precisione ad alta velocità (l'8620 offre una migliore stabilità dimensionale grazie al trattamento termico)

Specifiche dei materiali per pignoni specifiche per settore

Linee coreane di confezionamento per alimenti e bevande. Le linee di confezionamento per la produzione nel settore delle bevande in Corea (Hite, OB, Lotte Chilsung) utilizzano trasmissioni a catena #60 e #80 per il trasporto di casse e la movimentazione di bottiglie a velocità comprese tra 30 e 80 m/min con carichi di prodotto uniformi. Le ruote dentate in ghisa grigia sono ampiamente utilizzate in queste applicazioni per il loro vantaggio in termini di smorzamento delle vibrazioni a velocità di catena medio-alte. Il basso profilo di shock dei nastri trasportatori per l'imbottigliamento – carichi uniformi, assenza di materiale in grumi, nessuna partenza brusca – mantiene molto basso il rischio di frattura dei denti in ghisa. Tuttavia, l'ambiente di lubrificazione richiede ghisa compatibile con l'olio: la ghisa grigia standard è adeguata; la ghisa fosfatata o trattata per una maggiore resistenza alla corrosione non è necessaria in presenza di olio. Pignoni in ghisa grigia per passi standard ANSI Sono disponibili con foro finito e configurazioni standard per chiavetta e vite di fermo.

Acciaieria e industria pesante. I trasportatori di scaglie, i trasportatori a trascinamento di nastri d'acciaio e i sistemi di azionamento per il trasferimento di bobine negli impianti siderurgici coreani e vietnamiti richiedono pignoni in acciaio legato 4140 o 8620 con tempra a cuore o cementazione profonda: la combinazione di elevata tensione della catena, contaminazione da scaglie abrasive e cicli termici dovuti alla vicinanza alle zone del forno esclude sia la ghisa (soggetta a urti) che l'acciaio al carbonio standard (durata di usura insufficiente). La specifica di durezza superficiale per i pignoni delle acciaierie è tipicamente HRC 58-62 a una profondità di 1,2-2,0 mm, con un certificato di durezza richiesto per ogni lotto. Catena robusta abbinata per questi azionamenti viene ordinato simultaneamente per garantire un accoppiamento coerente della durezza del materiale all'interfaccia di contatto.

Macchine agricole. Nelle applicazioni agricole coreane e del Sud-est asiatico, le ruote dentate di trasmissione delle mietitrebbie e dei nastri trasportatori dei mulini per riso presentano una specifica differenziata: le ruote dentate di trasmissione principali (resistenti a urti, carichi variabili e impatti con pietre) richiedono ghisa sferoidale o acciaio al carbonio cementato; le trasmissioni ausiliarie a basso carico (dosaggio semi, spargipaglia, spargimento pula) sono invece adatte alla ghisa grigia, dove il risparmio sui costi per ruota dentata, su un ampio parco macchine, rappresenta un reale vantaggio economico.

ruota dentata 2

Domande frequenti

È possibile convertire un pignone in ghisa in uno in acciaio ordinando un pignone con lo stesso numero di denti e lo stesso foro in acciaio al carbonio?
Sì, entro i limiti di produzione. Se il numero di denti, il diametro del foro, la sede della chiavetta e la configurazione del mozzo corrispondono alle dimensioni standard ASME B29.1 per il passo della catena, è possibile ordinare un equivalente in acciaio con le stesse specifiche dimensionali. Gli unici limiti fisici sono lo spessore della parete del mozzo (l'acciaio può essere lavorato con pareti più sottili rispetto alla ghisa a parità di resistenza) e il diametro della flangia (la ghisa si presta più facilmente alla realizzazione di forme complesse rispetto ai semilavorati in acciaio forgiato). Per le configurazioni di mozzo non standard originariamente specificate per la produzione in ghisa, ad esempio mozzi a raggi o profili flangiati complessi, un equivalente in acciaio potrebbe richiedere una geometria del mozzo diversa per essere realizzabile in modo pratico. Le configurazioni standard con piastra A e mozzo B sono disponibili in acciaio per tutti i passi ANSI.
Come posso capire se una ruota dentata è cementata o temprata a cuore senza documentazione?
Un test con lima sulla superficie del dente – trascinando una lima temprata sulla superficie – fornisce un'indicazione di base: una superficie del dente cementata resiste alla lima con una sensazione vitrea e senza tagli visibili; un dente temprato a cuore o lavorato meccanicamente si taglia facilmente. Per informazioni più precise, un durometro Rockwell portatile sulla superficie del dente fornisce una lettura diretta dell'HRC. Per confermare la profondità della tempra, una sezione trasversale di un dente prelevata per l'esame metallografico (microdurezza Vickers dalla superficie al nucleo) fornisce la profondità e il profilo definitivi della tempra. In pratica, per le ruote dentate per le quali non è disponibile la documentazione, il test con lima è il controllo sul campo più rapido; se la lima taglia facilmente la superficie del dente (meno di HRC 55), la ruota dentata non è cementata e la durata in un'applicazione ad alta usura sarà coerente con i valori di usura non temprati riportati nella tabella comparativa sopra.
La durezza dei denti del pignone deve essere abbinata alla durezza dei rulli della catena?
Sì, la differenza di durezza tra il rullo della catena e il dente della ruota dentata provoca un'usura accelerata del componente più morbido. Per le catene a rulli standard con rulli temprati (HRC 40-50 in genere), che scorrono su ruote dentate in acciaio 1045 lavorate (200-250 HB = HRC 14-24), il dente della ruota dentata si usura più velocemente del rullo. Questo è generalmente accettabile perché la sostituzione della ruota dentata è una manutenzione programmata; la catena è il principale indicatore di usura. Per le trasmissioni a lunga durata, dove l'obiettivo è la sostituzione simultanea di catena e ruote dentate a intervalli programmati, entrambi i componenti dovrebbero avere una durezza simile all'interfaccia di contatto: una ruota dentata cementata (HRC 55-60) abbinata a rulli temprati standard per catene a rulli (HRC 40-50) fornisce un accoppiamento ragionevole in cui la catena si allunga per prima, fungendo da indicatore di usura, mentre la superficie della ruota dentata rimane utilizzabile per lo stesso intervallo.

Ghisa
1045 Cementato
Lega 4140 / 8620

Pignoni in ghisa, acciaio al carbonio e acciaio legato disponibili per tutti i passi ANSI

Descrivete il tipo di carico richiesto per la vostra applicazione (shock leggero / moderato / pesante), il passo della catena, il numero di denti, il diametro del foro e la durezza dei denti necessaria: noi specificheremo il materiale corretto e confermeremo la profondità della carcassa prima della produzione.

Redattore: Cxm

Tour virtuale della nostra fabbrica

TAG:pignone della catena | Pignone | PIGNONE CINA