Effektive Einsatzhärtungstiefenkontrolle beim Aufkohlen und Härten von Zahnrädern

Kernaussage: Wenn 20CrMnTi-Zahnradstahl aufgekohlt wird, hält eine effektive Einsatzhärtungstiefe (DS) zwischen 0,8-1,5 mm das Gefüge stabil. Die Einhaltung eines Kohlenstoffpotenzials von 1,0 %C-1,2 %C erzeugt den gewünschten nadeligen oder feinnadeligen Martensit, wobei die Oberflächenhärte 58-62 HRC erreicht. Sobald die Einsatzhärtungstiefe 2,0 mm überschreitet, übersteigt der Restaustenit üblicherweise die kritische Grenze von 15 % und die Ermüdungslebensdauer sinkt.

1. Verfahrensgrundlagen

Aufkohlen mit anschließendem Härten ist eine kombinierte Wärmebehandlung. Ein Zahnrad aus niedriglegiertem Stahl wird in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre gehalten, sodass Kohlenstoff in die Randschicht diffundiert, und dann schnell abgekühlt, um eine harte martensitische Randschicht zu erzeugen. Der Zweck besteht darin, eine verschleißfeste harte Oberfläche mit einem zähen Kern zu kombinieren, der Stöße aufnimmt – die beiden widersprüchlichsten Anforderungen an Getriebezahnräder.

1.1 Die drei Phasen

• Phase Aufheizen / Ausgleich: 850–930 °C
  • Anteil am Zyklus: 15–20 %
  • Haupteinstellungen: Aufheizrate ≤100 °C/h
• Phase Boost (Aufkohlen): 920–950 °C
  • Anteil am Zyklus: 50–60 %
  • Haupteinstellungen: CP 1,05-1,20 %C, Dauer nach Einsatzhärtungstiefenformel
• Phase Diffusion: 880–920 °C
  • Anteil am Zyklus: 20–30 %
  • Haupteinstellungen: CP auf 0,80-0,95 %C abgesenkt, Gradientenhomogenisierung

1.2 Abschätzung der Einsatzhärtungstiefe

Eine in der Werkstatt verwendete praktische Regel lautet:

Effektive Einsatzhärtungstiefe ( DS = k \times \sqrt{t} )

Aus den Produktionsaufzeichnungen von PinyiGear:

• Boost bei 920 °C: DS(mm) ≈ 0,65 × √t(h)
• Boost bei 940 °C: DS(mm) ≈ 0,78 × √t(h)

Für DS=1,2 mm benötigt die 920 °C-Route etwa 3,4 h Boost, während 940 °C dies auf etwa 2,4 h verkürzt. Jede Erhöhung um 20 °C birgt jedoch ein deutliches Risiko der Kornvergröberung.

2. Parameter, die das Ergebnis bestimmen

2.1 Kohlenstoffpotenzial

Von allen Variablen der Gasaufkohlung ist das Kohlenstoffpotenzial am wichtigsten. Es beschreibt den Gleichgewichtskohlenstoffgehalt an der Stahloberfläche im Kontakt mit der Ofenatmosphäre. Der Steuerungsansatz ist:

• Boost: 1,05-1,20 %C, damit ein steiler Gradient den Kohlenstoff nach innen treibt
• Diffusion: 0,80-0,95 %C, was Korngrenzenzementitnetzwerke unterdrückt
• Ein zu hohes CP hinterlässt Restaustenit über 20 % und Netzwerkzementit entlang der Korngrenzen
• Ein zu niedriges CP verlangsamt die Aufkohlung, hinterlässt eine flache Randschicht und eine unterhärtete Oberfläche

2.2 Abschreckmedium und Kühlung

2.3 Gefügeziele (ISO 6336 / GB/T 3480)

3. Fehler, Ursachen und Abhilfen

• Fehler Flache Randschicht: DS unter Spezifikation
  • Grundursache: Kurze Zeit oder niedriges CP
  • Gegenmaßnahme: Boost-Zeit verlängern, O₂-Sonde neu kalibrieren
• Fehler Niedrige Oberflächenhärte: <58 HRC
  • Grundursache: Zu viel Restaustenit
  • Gegenmaßnahme: Kryobehandlung (-80 °C) oder längere Diffusion
• Fehler Verzug außerhalb der Toleranz: Profil- oder Flankenlinienabweichung
  • Grundursache: Ungleichmäßige Abschreckspannung
  • Gegenmaßnahme: Ausrichtung beim Öleintritt anpassen, Voroxidation hinzufügen
• Fehler Netzwerkkarbide: Kontinuierliche Karbide an Korngrenzen
  • Grundursache: Diffusionszeit zu kurz
  • Gegenmaßnahme: Diffusion verlängern, Diffusions-CP senken

4. Werkstattpraxis

1. Kohlenstoffpotenzial täglich überprüfen – das steht an erster Stelle. Sauerstoffsonden müssen monatlich kalibriert werden, und ein Stahlfolien-Kohlenstofftest (±0,05 %C) sollte die Messung jede Schicht bestätigen. Ohne das kann kein Prozessparameter vertraut werden.
2. Hochpräzise Zahnräder benötigen eine Kryobehandlung. Für Zahnräder mit DS≥1,5 mm senkt ein Kryoschritt bei -80 °C×2 h nach dem Härten den Restaustenit von 15–20 % auf 5–8 %, was die Maßstabilität erheblich verbessert.
3. Voroxidation nicht überspringen. Ein Voroxidationsschritt bei 380–420 °C×30 min erzeugt Fe₃O₄-Keimstellen auf der Oberfläche und verbessert die Aufkohlungsgleichmäßigkeit um mehr als 30 %.
4. Verzugskontrolle beginnt mit dem Rohteil. Die Härtegleichmäßigkeit nach dem Normalglühen des Schmiedestücks (≤10 HB Streuung) beeinflusst den endgültigen Verzug stärker als der Aufkohlungsprozess selbst.

5. Normen und Quellen

• GB/T 3480-2019 Berechnung der Tragfähigkeit von Zahnrädern
• ISO 6336-5:2016 Tragfähigkeitsberechnung von Zahnrädern (Werkstoffe & Wärmebehandlung)
• JB/T 6141.2-2018 Spezifikation für das Aufkohlen und Härten von Zahnrädern
• PinyiGear Werksverfahrenshandbuch

Weiterführende Literatur: Bearbeitungsanforderungen vor dem Aufkohlen werden in Zahnradrohteilvorbereitung & Normalglühen behandelt. Wärmebehandlungs-Prozesskarten für spezifische Zahnradwerkstoffe sind unter Zahnradbearbeitungsfähigkeiten verfügbar.

Dokument-Nr.: GL-TN-20260713 | Kategorie: Wärmebehandlung | Vorschau: Erkennung & Kontrolle von Schleifbrand an Zahnrädern