Aufkohlen und Härten von Zahnrädern: Steuerung der Einsatzhärtungstiefe-Gleichmäßigkeit und Verzugs

Wie Einsatzhärtung die Ermüdungslebensdauer von Zahnrädern verlängert

Aufkohlen plus Härten ist nach wie vor das dominierende Einsatzhärtungsverfahren für Getriebezahnräder. Es erzeugt eine harte Außenschicht, die von einem duktilen Kern getragen wird. Legierungssorten mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, wobei 20CrMnTi ein typisches Beispiel ist, werden zwischen 920°C und 950°C aufgekohlt, gefolgt von Abschrecken und einem Niedertemperatur-Anlassen. Die Zahnflanken erreichen dann HRC 58–62, während der Kern bei HRC 30–42 liegt. Die Ermüdungslebensdauer verbessert sich um den Faktor 3–5. Die Präzisionsklasse, die ein Zahnrad letztendlich erreichen kann, hängt davon ab, wie eng der Verzug durch die Wärmebehandlung auf 0,05–0,15 mm begrenzt wird.

Verfahrensgrundlagen und Wahl des Mediums

Mechanismus des Aufkohlens und Härtens

Eine kohlenstoffreiche Atmosphäre liefert Kohlenstoffatome, die in die Oberfläche von niedriglegiertem Stahl mit 0,10%–0,25%C diffundieren. Abschrecken und Anlassen danach erzeugen eine abgestufte Struktur: eine hochkohlenstoffhaltige Martensit-Randschicht über einem niedrigkohlenstoffhaltigen angelassenen Martensit-Kern.

Drei Aufkohlungsmedien im Vergleich

• Gasaufkohlung: Propan plus Trägergas
  • Temperaturfenster: 920–950°C
  • Kohlenstoff-Eindringgeschwindigkeit (mm/h): 0,15–0,35
  • Typische Anwendung: Serienfertigung, Zahnrad-Aufkohlungsdienste
• Vakuumaufkohlung: Acetylen
  • Temperaturfenster: 950–1050°C
  • Kohlenstoff-Eindringgeschwindigkeit (mm/h): 0,25–0,50
  • Typische Anwendung: Hochpräzisionszahnräder, Innenringe
• Salzbadaufkohlung: Cyanidsalze
  • Temperaturfenster: 900–930°C
  • Kohlenstoff-Eindringgeschwindigkeit (mm/h): 0,20–0,40
  • Typische Anwendung: Zahnräder mit kleinem Modul

Interkristalline Oxidation wird durch Vakuumaufkohlung vollständig eliminiert, und der Verzug bleibt minimal. Für Präzisionsgetriebezahnräder ist dies der Grund, warum das Verfahren heute bevorzugt wird.

Effektive Einsatzhärtungstiefe: Empfohlene Werte und Verifizierung

ECD ist der senkrechte Abstand von der Oberfläche zu der Stelle, an der die Härte auf 550 HV abfällt.

Ursachen des Verzugs

Wie stark sich ein Zahnrad während des Abschreckens verformt, wird von mehreren Faktoren bestimmt:

• Vorwärmebehandlung: Normalisieren kombiniert mit Hochtemperatur-Anlassen reduziert Bearbeitungsspannungen und verringert den Abschreckverzug um 30%–50%.
• Abschrecktemperatur: Beste Ergebnisse werden bei 30–50°C über Ac3 erzielt; eine Überschreitung erhöht das Verzugsrisiko.
• Abschreckmedium: Heißes Öl, gehalten bei 80–120°C, erzeugt 40%–60% weniger Verzug als kaltes Öl.
• Ofenbeschickung: Zahnräder vertikal positionieren oder an speziellen Vorrichtungen aufhängen; nicht stapeln.

Fehler, Ursachen und Abhilfemaßnahmen

• Fehler — Unzureichende Härte: Zahnflanke unter HRC 55
  • Ursache: niedrige Aufkohlungskonzentration oder schwache Abschreckung
  • Abhilfe: Kohlenstoffpotential auf 0,8%–1,0%C erhöhen; Öltemperatur überprüfen
• Fehler — Übermäßiger Verzug: Flankenabweichung über 0,15 mm
  • Ursache: ungleichmäßige Abschreckspannung, nicht genügend Schleifzugabe
  • Abhilfe: Spannungsarmglühen einführen; Rohteilauslegung optimieren
• Fehler — Oberflächenentkohlung: Ferritschicht an der Oberfläche
  • Ursache: unzureichendes Kohlenstoffpotential im Ofen oder schlechte Abdichtung
  • Abhilfe: Ofendruck regulieren und Sauerstoffsonden regelmäßig kalibrieren
• Fehler — Interkristalline Oxidation: schwarzes Netz entlang der Korngrenzen
  • Ursache: O₂/H₂O-Verunreinigungen in der Ofenatmosphäre
  • Abhilfe: hochreines Trägergas verwenden; Vakuumaufkohlung einsetzen

Hinweise aus der Werkstatt

Tipp 1: Ein kürzlicher Auftrag für ein Spiralkegelrad m=5 nach DIN 6 erforderte Vakuumaufkohlung mit Martempering. Nach drei Runden der Prozessanpassung wurde der Verzug innerhalb von 0,08 mm gehalten und die Ausbeute bei der ersten Prüfung erreichte 92%.

Tipp 2: Das Hinzufügen eines Spannungsarmglühens bei 650°C × 2h vor dem Aufkohlen reduzierte das Auftreten von Schleifrissen von 5% auf unter 0,3%. Die zusätzlichen Kosten betrugen etwa 1,2 $ pro Stück.

Tipp 3: Für die Prüfhäufigkeit sollten mindestens 3 Proben pro Ofencharge für Metallographie, Härtegradientenprofilierung und Bruchanalyse prozessiert werden. Bei großen Modulen sollten die Zahnflankenhärte an jedem Zahn jedes Zahnrads überprüft werden.

Referenzen

1. ISO 2639:2002 — Stähle — Bestimmung und Verifizierung der effektiven Einsatzhärtungstiefe von aufgekohlten und gehärteten Randschichten
2. AGMA 2001-D04 — Härten und Wärmebehandlung von Zahnrädern
3. PinyiGear interne Dokumentation — Wärmebehandlungsband
4. Entdecken Sie Fähigkeiten zur Präzisions-Zahnradfertigung und kundenspezifische Zahnradlösungen

Tägliche Lernnotiz · PinyiGear · 2026-07-10