Zahnrad-Aufkohlung & Härten: Parameter und Fehlervermeidung

Zusammenfassung: Unter den Wärmebehandlungen, die auf Verzahnungen angewendet werden, bleibt die Aufkohlung mit anschließendem Härten das Arbeitspferd. Eine verschleißfeste Außenschicht mit 58–62 HRC wird erzeugt, während der Kern bei 30–42 HRC duktil bleibt. Vier Variablen bestimmen das Ergebnis – Ofentemperatur (920–950°C), Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre (0,75–1,05%C), Härtestarttemperatur (820–860°C) und Anlasstemperatur (160–200°C). Betriebsaufzeichnungen zeigen, dass Prozessdrift für mehr als 80% der Fehler bei aufgekohlten Zahnrädern verantwortlich ist.

1. Wie der Prozess funktioniert

Aufkohlen plus Härten ist ein zweiteiliger thermischer Zyklus. Das Zahnrad befindet sich in einer Atmosphäre, die Kohlenstoff bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungsschwelle liefert, Kohlenstoff wandert von der Oberfläche nach innen, und eine schnelle Abkühlung wandelt dann die angereicherte Schicht in hochkohlenstoffhaltigen Martensit um.

Arbeitsdefinition: Eine thermochemische Behandlung, die die Oberflächenchemie verändert – Kohlenstoff steigt von 0,15–0,25%C im Kern auf 0,70–1,05%C an der Randschicht –, wonach das Härten den Härtungseffekt liefert.

Stufenabfolge

• Zersetzung: Einsatzgas (Erdgas, Propan oder Kerosin) zerfällt bei erhöhter Temperatur und setzt reaktiven Kohlenstoff frei.
• Aufnahme: Diese reaktiven Atome werden in das Austenitgitter an der Zahnradrandschicht aufgenommen.
• Einwärtswanderung: Ein Konzentrationsgefälle entsteht, während Kohlenstoff fortschreitend tiefer wandert.

2. Parameterfenster und Konsequenzen

• Ofentemperatur: 920–950°C
  • Konsequenz für das Zahnrad: Ein Anstieg um 10°C erhöht die Diffusionsgeschwindigkeit um etwa 20%, doch die Kornvergröberung wird wahrscheinlicher
  • Zielgenauigkeit: ±5°C
• Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre: 0,75–1,05%C
  • Konsequenz für das Zahnrad: Die Kohlenstoffanreicherung verläuft bei höheren Werten schneller, obwohl Karbidnetzwerke auftreten können
  • Zielgenauigkeit: ±0,05%C
• Härtestarttemperatur: 820–860°C
  • Konsequenz für das Zahnrad: Bestimmt, wie viel Austenit unumgewandelt bleibt und die Form des Martensits
  • Zielgenauigkeit: ±10°C
• Anlasstemperatur: 160–200°C
  • Konsequenz für das Zahnrad: Die Härte fällt um etwa 1–2 HRC pro 10°C Erhöhung
  • Zielgenauigkeit: ±5°C
• Einsatzhärtungstiefe: 0,3–1,5 mm
  • Konsequenz für das Zahnrad: Tiefere Einsatzschichten widerstehen Kontaktermüdung besser
  • Zielgenauigkeit: ±0,1mm

Wie die Variablen interagieren

Kohlenstoffgehalt und Einsatzhärtungstiefe skalieren nicht linear. Mit 920°C als Referenzpunkt:

• Während der Boost-Phase mit 1,05%C wächst die Schicht um etwa 0,15–0,20 mm pro Stunde.
• Während der Diffusionsphase mit 0,80%C verlangsamt sich das Wachstum auf etwa 0,10–0,12 mm pro Stunde.

Eine nützliche Näherung: Die Tiefe wächst mit der Quadratwurzel der Zeit – Tiefe ≈ K × √t, wobei K der Temperaturkoeffizient ist (etwa 0,45 bei 920°C Ofentemperatur) und t die Boost-Dauer in Stunden.

3. Gängige Prozessrouten

Verfügbare Aufkohlungsrouten

1. Atmosphärische (Gas-)Aufkohlung – die Mainstream-Wahl

   • Atmosphäre: Propan mit einem Trägergas aus ge cracktem Methanol oder eine Stickstoff-Methanol-Mischung
   • Stärken: Der Kohlenstoffgehalt kann eng gehalten werden; eignet sich gut für wiederkehrende Chargen
   • Dominante Route für Präzisions-Zahnradantriebssysteme

2. Niederdruck-(Vakuum-)Aufkohlung

   • Atmosphäre: Acetylen oder Ethylen
   • Stärken: Keine innere Oxidation; geeignet für anspruchsvolle Zahnradqualität
   • Bevorzugt für kundenspezifische Zahnradfertigung

3. Salzbadaufkohlung

   • Atmosphäre: Cyanidbasierte Salze
   • Stärken: Schnelle Kohlenstoffaufnahme, aber die Umweltentsorgung ist schwierig; die Route wird eingestellt

4. Fehler, Ursachen und Abhilfen

4.1 Einsatzhärtungstiefe außerhalb der Spezifikation

• Ursache: Drift in Zeit oder Temperatur oder schwankender Kohlenstoffgehalt
• Abhilfe: Eine Sauerstoffsonde betreiben, die einen Kohlenstoffregler im geschlossenen Regelkreis speist; in Intervallen mit Folienproben überprüfen

4.2 Karbidnetzwerke

• Ursache: Kohlenstoffgehalt über 1,10%C getrieben oder zu wenig Zeit für die Diffusion gelassen
• Abhilfe: Den Boost auf 1,05%C begrenzen und eine ausreichende Diffusionsperiode einplanen

4.3 Oxidation unter der Oberfläche

• Ursache: Zu viel Sauerstoff im Ofengas (Taupunkt nicht gehalten)
• Abhilfe: Taupunkt bei −30°C oder darunter halten; Stickstoff hoher Reinheit zuführen

4.4 Formänderung außerhalb der Grenzen

• Ursache: Ungleichmäßige Abkühlung nach dem Härten oder eine nicht symmetrische Zahnradform
• Abhilfe: Vorrichtungslayout verbessern; Presshärten für Präzisions-Wellenkomponenten anwenden

4.5 Härte fällt zu niedrig aus

• Ursache: Härten zu kalt gestartet oder die Abkühlgeschwindigkeit war zu langsam
• Abhilfe: Öltemperatur überprüfen (60–80°C) und bestätigen, dass der Rührer arbeitet

5. Prüfung und Abnahme

Eine enge Kontrolle während der Aufkohlung muss zusammen mit der weiteren Zahnradbearbeitungsprozess-Sequenz geplant werden.

Werkstattanleitung

1. Kohlenstoffgehaltsprüfungen sind nicht verhandelbar: Ablagerungen bilden sich auf Sauerstoffsonden und die Messwerte driften. Wöchentlich mit Folienproben überprüfen; wenn der Messwert um mehr als ±0,05%C abweicht, vor dem nächsten Lauf korrigieren.
2. Den Zustand des Härteöls verfolgen: Die Kühlleistung lässt nach, sobald das Öl sechs Monate im Einsatz war oder 100+ Tonnen Teile gesehen hat. Jedes Quartal einen Abkühlkurventest durchführen.
3. Die Vorrichtung beeinflusst das Ergebnis: Mindestens 10mm zwischen benachbarten Zahnrädern lassen, damit Gas gleichmäßig zirkulieren kann. Große Zahnräder gehören in die Mitte der Charge, weg vom Ventilator.
4. Einen Voroxidationsschritt hinzufügen: Teile 30–60 Minuten bei 450–550°C vor der Aufkohlung zu halten, verbessert die Einsatzschichtkonsistenz merklich und verringert die Wahrscheinlichkeit innerer Oxidation.

Referenzen

• GB/T 9450-2018 — Bestimmung und Verifizierung der Einsatzhärtungstiefe von aufgekohlten Stahlteilen
• ISO 6336-5:2016 — Berechnung der Tragfähigkeit von Stirn- und Schrägzahnrädern — Teil 5: Festigkeit und Qualität der Werkstoffe
• “Handbuch für Wärmebehandlungsprozessstandards für Zahnräder” (China Machine Press)
• PinyiGear interne Prozessdatenbank (Ausgabe 2025)

Anhang: Zusätzliche Prozessdaten

Der folgende Inhalt konsolidiert Tabellen und Abbildungen aus früheren Artikeln zum gleichen Thema (ehemalige IDs 29, 35, 38, 41, 42, 43, 46). Alle Zahlen, Einheiten, Werkstoffbezeichnungen und Normnummern sind unverändert.

A1. Aufkohlungsmedien im Vergleich

• Gasaufkohlung: Propan mit Trägergas
  • Temperaturbereich: 920–950°C
  • Schichtwachstum (mm/h): 0,15–0,35
  • Wo es passt: Chargenarbeit, Zahnrad-Aufkohlungsdienste
• Vakuumaufkohlung: Acetylen
  • Temperaturbereich: 950–1050°C
  • Schichtwachstum (mm/h): 0,25–0,50
  • Wo es passt: Hochpräzisionszahnräder, Innenringe
• Salzbadaufkohlung: Cyanidbasierte Salze
  • Temperaturbereich: 900–930°C
  • Schichtwachstum (mm/h): 0,20–0,40
  • Wo es passt: Zahnräder mit kleinem Modul

A2. Effektive Einsatzhärtungstiefe gegen Zahnradmodul

A3. Was den Verzug bestimmt

• Vor der Aufkohlung: Normalisieren zusammen mit einem Hochtemperatur-Anlassen senkt Restbearbeitungsspannungen und kann die härtungsbedingte Formänderung um 30%–50% verringern
• Härtestarttemperatur: 30–50°C über Ac3 liegt am besten; heißer erhöht das Verzugsrisiko
• Kühlmedium: Heißes Öl bei 80–120°C ergibt 40%–60% weniger Verzug als Öl bei Raumtemperatur
• Chargenanordnung: Zahnräder aufrecht stellen oder an zweckgebauten Vorrichtungen aufhängen; nicht stapeln

A4. Ein Fall aus der Werkstatt

Hinweis: Bei einem kürzlichen m=5-Spiralkegelrad-Auftrag mit DIN 6-Genauigkeitsanforderung wurde die Route Vakuumaufkohlung kombiniert mit Martempering gewählt. Drei Abstimmungsiterationen brachten die Formabweichung innerhalb von 0,08 mm und die erste Prüfung bestand 92% der Teile.

A5. Dreistufiger Zeitplan: Zeitaufteilung und Aufheizrate

• Stufe eins — Aufheizen und Ausgleich: 850–930°C
  • Anteil am Zyklus: 15–20%
  • Kontrollpunkt: Aufheizen nicht schneller als 100°C/h
• Stufe zwei — Boost: 920–950°C
  • Anteil am Zyklus: 50–60%
  • Kontrollpunkt: Kohlenstoffgehalt 1,05-1,20%C; Dauer aus der Einsatzhärtungstiefenformel
• Stufe drei — Diffusion: 880–920°C
  • Anteil am Zyklus: 20–30%
  • Kontrollpunkt: Kohlenstoffgehalt auf 0,80-0,95%C abgesenkt, damit das Gefälle flacher wird

A6. Tiefenformel und PinyiGear-Koeffizienten

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

Zahlen aus der PinyiGear-Produktion:

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

Illustration: Um DS=1,2mm zu erreichen, sind etwa 3,4h Boost bei 920°C nötig, während 940°C es auf etwa 2,4h reduziert – doch eine Erhöhung um 20°C birgt eine deutlich höhere Wahrscheinlichkeit der Kornvergröberung.

A7. Härtemedium, Rühren und Kernhärte nach Stahlsorte

A8. Mikrostrukturabnahme

Mikrostrukturanforderungen (gemäß ISO 6336 / GB/T 3480)

A9. Kohlenstoffverifizierung, Kaltbehandlung und Voroxidation

1. Atmosphärenkohlenstoff jede Schicht prüfen: Sauerstoffsonden müssen monatlich kalibriert werden, und ein Stahlfolienproben-Test (±0,05%C) sollte den Messwert zu Beginn jeder Schicht bestätigen – ohne dies kann kein anderer Parameter vertraut werden.
2. Kaltbehandlung zahlt sich bei Präzisionsarbeit aus: Wenn DS 1,5mm oder mehr erreicht, bringt ein Halten bei −80°C × 2h nach dem Härten den Restaustenit von 15–20% auf 5–8%, was das Dimensionsverhalten deutlich verbessert.
3. Voroxidation nicht überspringen: Ein Halten bei 380–420°C × 30min erzeugt Fe₃O₄-Keimbildungsstellen über die Oberfläche, was die Aufkohlungsgleichmäßigkeit um 30% oder mehr erhöht.
4. Verzug wird früh entschieden: Die Härtestreuung nach dem Schmieden und Normalisieren (innerhalb ≤10HB halten) beeinflusst die endgültige Formänderung stärker als alles, was im Aufkohlungsofen getan wird.

A10. Faustregel zur Einsatzhärtungstiefenauswahl

Faustregel zur Einsatzhärtungstiefenauswahl

$$d = (0,1 \sim 0,2) \times m_n$$

Hier steht (d) für die effektive Einsatzhärtungstiefe (mm) und (m_n) für den Normalmodul des Zahnrads (mm). Illustration: Ein Modul-4-Zahnrad erfordert eine Einsatzschicht von 0,4–0,8 mm.

A11. Aufkohlungsrouten im Vergleich, Plasma eingeschlossen

A12. Marquenching-Zeitplan

A13. Ausrichtung im Ofen

• Zähne nach oben: Gas erreicht den Zahnfuß leichter, obwohl der Ölabfluss beim Härten schlechter ist
• Zähne nach unten (aufgehängt): Das Härten ist gleichmäßiger, aber der Startkohlenstoffgehalt muss höher eingestellt werden

A14. Die vier wichtigsten Parameter

• Effektive Einsatzhärtungstiefe (CHD): 0,3–2,5 mm
  • Wirkung auf das Zahnrad: Zu dünn lädt zu Kontaktermüdungsabplatzungen ein; zu dick kostet Schlagzähigkeit
• Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche: 0,7%–1,0% C
  • Wirkung auf das Zahnrad: Ein niedriger Wert lässt die Härte zu kurz kommen; ein hoher Wert hinterlässt Restaustenit und verschleißt schneller
• Härtestarttemperatur: 800–860°C (Direkthärtung)
  • Wirkung auf das Zahnrad: Formt das Martensit und wie die Eigenspannung verteilt wird
• Anlasstemperatur: 160–200°C
  • Wirkung auf das Zahnrad: Baut Spannungen ab, stabilisiert die Struktur und bewahrt die Härte

A15. Modul, CHD und Aufkohlungszeit

Für die Untergrenze verwenden Sie CHD ≈ 0,2 × (Modul + 1).

A16. Härtetemperatur und Kühlmedium

Die Härtetemperatur wird auf Ac3 + 30~50°C eingestellt, was in der Praxis bei etwa 810~840°C liegt. Medienoptionen:

• Ölhärtung: Funktioniert für Zahnräder mit Modul ≤ 8, mit beherrschbarem Verzug
• Salzbad- oder Presshärtung: Die Wahl für dünnwandige oder große Präzisionszahnräder, die die Formabweichung innerhalb von 0,05mm hält

A17. Fehlergegenmaßnahmen und Beladungspraxis

Übermäßiger Verzug

• Ursache: Ungleichmäßiges Aufheizen, zu schnelles Abkühlen oder Zahnradgeometrie ohne Symmetrie
• Gegenmaßnahme: 30 min bei 500°C vorwärmen, dann unter Pressdruck härten

Oberflächenhärte unter 58HRC

• Ursache: Härten zu kalt gestartet oder Kühlleistung fehlt
• Gegenmaßnahme: Öltemperatur überprüfen (optimal: 40~80°C) und degradierte Medien austauschen

Schichtdelaminierung

• Ursache: Das Kohlenstoffgefälle durch die Übergangszone ist zu abrupt
• Gegenmaßnahme: Die Diffusionsstufe um 1~2h verlängern, damit der Kohlenstoff allmählich abfällt

Praktische Erkenntnisse

PinyiGear-Betriebsaufzeichnungen zeigen, dass die Art der Ofenbeladung etwa 60% des Aufkohlungserfolgs bestimmt. Zahnräder mit Zahnflächen nach oben in gleichmäßigem Abstand (mindestens 10mm auseinander) zu platzieren, lässt Gas frei strömen und vermeidet das bekannte Problem einer dünnen Einsatzschicht am Zahnfuß kombiniert mit übermäßigem Kohlenstoff an der Spitze. Bevor Sie sich auf eine Charge festlegen, validieren Sie den Prozess an einem Erstmuster mit Mikrohärteverlaufsprüfung.

A18. Parameter für Tiefenaufkohlung (12~50 h)

• Ofentemperatur: 920–950°C
  • Wirkung: Ein Anstieg um 10°C beschleunigt die Diffusion um etwa 20%
• Kohlenstoffgehalt: Boost bei 1,0–1,2%C, Diffusion bei 0,75–0,85%C
  • Wirkung: Zu hoch erzeugt Karbidnetzwerke
• Dauer: 12–50 Stunden (tiefenabhängig)
  • Wirkung: Tiefe folgt √t
• Härtetemperatur: 820–860°C
  • Wirkung: Entweder Direkt- oder Wiedererwärmungshärtung
• Härteöltemperatur: 60–120°C
  • Wirkung: Bestimmt das Tempo der Martensitumwandlung
• Anlasstemperatur: 160–200°C
  • Wirkung: Niedrigtemperatur-Anlassen baut Spannungen ab

A19. Werkstoffsorten und das CHD/Modul-Verhältnis

Typischerweise spezifizierte Sorten:

• 18CrNiMo7-6 — das Rückgrat für Windkraftgetriebe
• 20CrMnTi — weit verbreitet für allgemeine Getriebezahnräder
• 17CrNiMo6 — gewählt, wo die Ermüdungslebensdauer sehr hoch sein muss

In der Praxis gilt CHD ≈ (0,15–0,25) × Modul. Ein Zahnrad mit Modul m=10 erfordert daher CHD = 1,5–2,5mm

A20. Vorverformungskompensation und Windkraftdaten

Vorverformungskompensation

Eine umgekehrte Form in das Design einzubauen, ist der kostengünstigste Weg, das Ergebnis zu kontrollieren:

• Flanken-Vorwölbung: 0,01–0,05mm umgekehrte Kompensation, abgeleitet aus dem L/D-Verhältnis
• Zahnlücken-Schrumpfungskompensation: 0,02–0,04mm negative Toleranz, angewendet auf dünnwandige Zahnräder

Hinweis: Bei einem m=12-Windkraftzahnrad zeigten drei Testläufe eine kegelförmige Flankenabweichung. Die Einführung von 0,025mm umgekehrter Kegelkompensation in der Grobbearbeitungsphase reduzierte die Verformung von 0,06mm auf 0,015mm.

A21. Härtemedienoptionen und Verzugsrisiko

A22. Härten, Anlassen und Kaltbehandlung für tiefe Einsatzschichten

Hinweis: Zahnräder mit CHD ≥3mm werden am besten durch Martempering geführt. Die Zykluszeit steigt um etwa 30%, doch der Profilverzug fällt um mehr als die Hälfte. Akkumulierte Dehnungsdaten aus PinyiGears Aufkohlungsarbeit an großen Zahnrädern sind auf unserer Kompetenzseite verfügbar.

Anlassen und Dimensionsstabilität

Ein Niedrigtemperatur-Anlassen (160–200°C) beseitigt etwa 60% der Härtespannung, lässt jedoch den Restaustenit weitgehend intakt. Wo Genauigkeitsgrad D oder besser erforderlich ist:

• Erstes Anlassen: 180°C × 3h
• Zweites Anlassen: 170°C × 4h (zwischen den beiden auf Raumtemperatur zurückkehren)
• Optionales Tiefkalt-Halten: −80°C × 1h, um Restaustenit zu entfernen

A23. Prüfmetriken für tiefe Einsatzschichten

A24. Tiefenaufkohlungsfehler und wie man ihnen begegnet

• Karbidnetzwerke: Kohlenstoffgehalt während der Diffusion zu hoch
  • Lösung: Den Diffusionskohlenstoffgehalt auf 0,75–0,80%C senken
• Entkohlung an der Oberfläche: Atmosphäre schlecht reguliert
  • Lösung: Sauerstoffsonden prüfen; mit Methanol + N₂ schützen
• Verzug außerhalb der Toleranz: Ungleichmäßige Abkühlung oder konzentrierte Spannung
  • Lösung: Vorrichtung verbessern und Vorverformungskompensation in das Design einarbeiten
• Härte unter Ziel: Härtetemperatur zu niedrig eingestellt
  • Lösung: Auf 840–860°C erhöhen und prüfen, ob das Härteöl gealtert ist

A25. Boost-, Diffusions- und Härtestufen

• Boost-Stufe: 930±10°C mit Kohlenstoffgehalt 1,10-1,20%C
  • Achtung: Schichtwachstum von 0,15-0,25mm pro Stunde
• Diffusionsstufe: 920±10°C mit Kohlenstoffgehalt 0,80-0,90%C
  • Achtung: Das Kohlenstoffgefälle glatt halten und Zementitnetzwerke verhindern
• Härtestufe: 830–860°C (Direkthärtung)
  • Achtung: Die Abkühlung muss die kritische Martensitrate übertreffen (etwa 50°C/s in Öl)

A26. CHD gegen Modul mit Härtegradientenanforderungen

A27. Formen des Verzugs und wie man ihnen begegnet

Verzugskontrolle

Die Formänderung nach der Aufkohlung bleibt ein hartnäckiges Problem in der Präzisions-Zahnradübertragung-Arbeit. Die am häufigsten gesehenen Formen:

Gegenmaßnahmen:

1. Vor der Bearbeitung normalisieren plus anlassen — dies verfeinert die Körner und gleicht innere Spannungen aus
2. Knapp unter Ac3 (interkritisch) härten, damit die Wärmespannung niedriger bleibt
3. Die Geometrie mit Pressdruck oder Vorrichtungen an der Härtestation halten
4. Material für einen Fertigschleifvorgang nach der Wärmebehandlung lassen

Hinweis: In PinyiGears Präzisions-Zahnradbearbeitung-Arbeit hat das Einfügen eines Spannungsarmglühens bei 650°C für 2h vor der Aufkohlung den Verzug bei C22 (8620)-Zahnrädern um über 40% reduziert. Die Glühtemperatur muss über der des vorherigen thermischen Schritts liegen — etwa 100°C höher als die Aufkohlungstemperatur — sonst ist der Spannungsabbau nicht vollständig.

A28. Routineprüfungen und Abnahmegrenzen

A29. Entkohlung, grober Martensit und nichtmartensitische Schichten

Fehler und ihre Lösungen

Hinweis: Unter den Aufkohlungsvariablen ist der Oberflächenkohlenstoff die am häufigsten unterschätzte. Ein Wert über 1,0%C fällt ein Karbidnetzwerk aus, das die Kontaktermüdungslebensdauer verkürzt, während ein Wert unter 0,7%C die Härte zu niedrig lässt. Für kundenspezifische Zahnrad-Aufträge führen wir bei jeder Charge eine schichtabtragende Kohlenstoffanalyse durch und kombinieren sie mit vollständigen KMG-Verzugsprüfungen, was die gelieferte Qualität konsistent hält.

A30. Niederdruck-Vakuum- versus Gasaufkohlung

A31. Wohin LPVC steuert

Anwendungsausblick für LPVC

Da elektrifizierte Antriebsstränge und Präzisions-Zahnradantriebe eine längere Ermüdungslebensdauer fordern, bewegt sich die Niederdruck-Vakuumaufkohlung (LPVC) weiter aus der Luft- und Raumfahrt in die Premium-Industrieverzahnung. Prognosen setzen die LPVC-Einführung bei Pkw-Getriebezahnrädern bis 2028 über 35%.

A32. Verzugsarten, Bereiche und wie schwer sie zu beheben sind

A33. Aufkohlungsstähle: Verzugsneigung und Ms-Daten

• 20CrMnTi
  • Verzugsneigung: Mäßig
  • Typische Anwendungen: Automobilgetriebezahnräder, bestes Preis-Leistungs-Verhältnis
• 20CrMo
  • Verzugsneigung: Niedrig
  • Typische Anwendungen: Zahnräder mit kleinem bis mittlerem Modul, verzugsempfindliche Teile
• 17CrNiMo6
  • Verzugsneigung: Niedrig
  • Typische Anwendungen: Schwerlastzahnräder, Windkraft & Baumaschinen
• 8620H
  • Verzugsneigung: Mäßig
  • Typische Anwendungen: Export-Standardteile, enge Härtbarkeitsbandkontrolle

A34. Materialauswahl für große dünnwandige Innenzahnkränze

Hinweis: Wo Innenzahnkränze dünnwandig sind und Durchmesser über 400mm haben, sollten 17CrNiMo6 oder 20CrMo an erster Stelle stehen. Ihre Legierung ergibt einen niedrigeren Ms-Punkt (Martensitstart etwa 300~330°C), sodass die Umwandlungsspannung vollständiger relaxiert — etwa 30% bessere Formkontrolle als 20CrMnTi.

A35. Kern-Aufkohlungsvariablen

A36. Auswahl eines Härtemediums und Einstellung der Rührgeschwindigkeit

Härteprozesskontrolle

Die Abkühlgeschwindigkeit und damit der Verzug folgen direkt aus dem gewählten Medium:

• Martempering-Öl (bevorzugt): 80~120°C, eine gute Übereinstimmung für Zahnradstähle und legierte Aufkohlungsstähle
• Schnelles Härteöl: Nur bei einfachen Formen verwendet, mit größerem Verzugsrisiko
• Austempering: 220~320°C Salzbad, Verzug ist minimal, aber der Zyklus läuft länger

Hinweis: Das Rühren wird am besten zwischen 0,5~1,0m/s gehalten. Unter 0,3m/s ist die Abkühlung unzureichend und die Härte leidet; über 1,5m/s wird die Abkühlung ungleichmäßig und die Bohrungsschrumpfung steigt um 40%~60%. VFD-gesteuertes Rühren ermöglicht es, die Einstellung an den Zahnradquerschnitt anzupassen.

A37. Entwurf von Verzugstoleranzen und Vorabkompensation

Verzugstoleranz-Design

FEA-Modellierung sagt voraus, wie sich das Teil bewegen wird, und die Umkehrung dieser Bewegung wird in der Verzahnungsstufe eingearbeitet. Für Module 3~6 betreibt PinyiGear ein ANSYS-basiertes Aufkohlungs-Härteverzug-Simulationsmodul:

Vorverformungskompensation

A38. Wie der Verzug geprüft wird und wie oft

• Bohrungsabmessung: Luftmessgerät oder KMG
  • Genauigkeit: ±0,002mm
  • Stichprobenrate: 100%
• Profil / Flanke: Zahnradmesszentrum (Klingelnberg/Gleason)
  • Genauigkeit: ±0,003mm
  • Stichprobenrate: 10%~20%
• Planlauf: Messuhr
  • Genauigkeit: ±0,005mm
  • Stichprobenrate: 100%
• Einsatzhärtungstiefe: metallographisch oder Mikrohärte
  • Genauigkeit: ±0,05mm
  • Stichprobenrate: 1~3 Stk. pro Charge

A39. Drei Hebel, die am besten gegen Verzug wirken

Praktische Zusammenfassung

Jahrelange Verfolgung in der Werkstatt und Iteration des Prozesses führten dazu, dass PinyiGear drei Hebel zur Verzugskontrolle herausstellte:

1. Kontrolle an der Quelle: Ein Härtbarkeitsband von J9≤4HRC in die Materialeinkaufsspezifikation aufnehmen, damit die Streuung von Schmelze zu Schmelze verschwindet.
2. Temperatur ausgleichen: Von Atmosphärenaufkohlung plus Ölhärtung auf Vakuumaufkohlung mit Hochdruckgashärtung (10~20bar) umstellen — die Formänderung fällt um mehr als 50%.
3. Für die Bewegung konstruieren: Eine unternehmensweite Verzugsdatenbank pflegen und ihre Historie in neue Zahnraddesigns einspeisen, sodass sich der Kreislauf von Design über Fertigung schließt.