Tiefe Einsatzhärtung von Zahnrädern: Parameter, Verzugskontrolle und Prüfung

Zusammenfassung: Sobald die effektive Einsatzhärtungstiefe 2 mm überschreitet, wird die Aufkohlung zum Standardverfahren für Zahnräder, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Zwei Prozessfenster bestimmen das Ergebnis: 920–950°C für die Ofenatmosphärentemperatur und 1,0–1,2%C für das Boost-Kohlenstoffpotential. Die Einhaltung der Flankenlinienabweichung innerhalb von 0,02 mm und der Profilabweichung innerhalb von 0,015 mm erfordert das Zusammenspiel von drei Faktoren – eine in den Rohling eingebaute Umkehrverzerrung, ein auf den Querschnitt abgestimmtes Abschreckmedium und ein kontrolliertes Anlassschema.

1. Verzug unter Kontrolle halten

Maßänderungen nach dem Aufkohlen und Abschrecken sind eine der häufigsten Ausschussursachen bei der Wärmebehandlung von Zahnrädern. Sie äußern sich in Flankenlinienfehlern, Profilverzerrungen und unrunden Bohrungen. Drei Maßnahmen stehen zur Gegensteuerung zur Verfügung.

1.1 Umkehrverzerrung in den Rohling einbauen

Die Kompensation bereits in der Zeichnungs- und Schruppphase ist die kostengünstigste Option.

• Flankenlinien-Vorwölbung: 0,01–0,05 mm entgegengesetzte Kompensation anwenden, wobei die Menge entsprechend dem Längen-Durchmesser-Verhältnis gewählt wird
• Zahnlücken-Schrumpfausgleich: 0,02–0,04 mm negative Toleranz bei dünnen Wandstärken zulassen

Praxishinweis: Ein Windkraftgetriebe mit Modul 12 wurde dreimal gefertigt, bevor ein konisches Flankenlinienmuster sichtbar wurde. Das Hinzufügen von 0,025 mm Umkehrkonizität während der Schruppbearbeitung reduzierte die gemessene Bewegung von 0,06 mm auf 0,015 mm.

1.2 Wahl des Abschreckmediums und Gestaltung der Abkühlkurve

Praxishinweis: Sobald die CHD 3 mm oder mehr erreicht, ist Martempering das empfohlene Verfahren. Es verlängert den Zyklus um etwa 30 %, dennoch kann die Profilbewegung um über 50 % reduziert werden. PinyiGear sammelt Verformungsdaten aus der Aufkohlung großer Zahnräder; Details finden Sie auf unserer Kompetenzseite.

1.3 Wie das Anlassen die Maßhaltigkeit beeinflusst

Das Halten bei 160–200°C baut etwa 60 % der durch das Abschrecken verbleibenden Spannungen ab, obwohl der Restaustenit zu diesem Zeitpunkt nicht vollständig zerfällt. Wo Genauigkeit der Qualität D oder enger gefordert ist, werden zwei Anlassdurchgänge verwendet:

• Erster Durchgang: 180°C für 3 h
• Zweiter Durchgang: 170°C für 4 h, mit Rückkehr auf Raumtemperatur dazwischen
• Optionaler Kryoschritt: −80°C für 1 h zur Entfernung von Restaustenit

2. Wie der Prozess funktioniert

2.1 Definition der tiefen Einsatzhärtung

Eine Aufkohlungsbehandlung gilt als tiefe Einsatzhärtung, wenn die effektive Einsatzhärtungstiefe (CHD) 2 mm oder mehr erreicht. Sie wird bei Getrieben in Windkraftanlagen, Baumaschinen, Bergbauausrüstung und ähnlichen Schwerlastantrieben eingesetzt. Bei Austenitisierungstemperatur diffundiert Kohlenstoff in die Zahnradoberfläche und bildet eine kohlenstoffreiche Außenschicht; das anschließende Abschrecken verwandelt diese Schicht in harten Martensit, während der Kern seine Duktilität behält.

2.2 Prozessvariablen und ihre Auswirkungen

• Aufkohlungstemperatur: 920–950°C
  • Eine Erhöhung des Sollwerts um 10°C steigert die Diffusionsrate um etwa 20 %
• Kohlenstoffpotential: Boost-Phase 1,0–1,2%C; Diffusionsphase 0,75–0,85%C
  • Ein zu hoher Wert führt zu Karbidnetzwerken
• Dauer: 12–50 Stunden, abhängig von der Zieltiefe
  • Die Tiefe wächst ungefähr mit der Quadratwurzel der Zeit
• Abschrecktemperatur: 820–860°C
  • Entweder direktes Abschrecken oder ein Wiedererwärmungsschritt kann verwendet werden
• Abschrecköltemperatur: 60–120°C
  • Diese Einstellung beeinflusst, wie schnell sich Martensit bildet
• Anlasstemperatur: 160–200°C
  • Ein Niedertemperatur-Anlassen baut Eigenspannungen ab

2.3 Auswahl eines Einsatzstahls

Drei Sorten decken die Mehrheit der einsatzgehärteten Zahnradanwendungen ab:

• 18CrNiMo7-6 — die Standardwahl für Windkraftgetriebe-Verzahnungen
• 20CrMnTi — verwendet für allgemeine Getriebezahnräder
• 17CrNiMo6 — spezifiziert, wo eine sehr hohe Ermüdungslebensdauer erforderlich ist

Eine nützliche Regel: Die effektive CHD liegt zwischen dem 0,15- und 0,25-fachen des Moduls. Für m=10 liegt die empfohlene CHD im Bereich von 1,5–2,5 mm.

3. Prüfung und Abnahme

3.1 Was gemessen wird

3.2 Ausschussursachen und Korrekturmaßnahmen

• Karbidnetzwerk vorhanden: Das Kohlenstoffpotential in der Diffusionsphase war zu hoch
  • Abhilfe: Diffusions-Sollwert in den Bereich 0,75–0,80%C senken
• Entkohlte Oberflächenschicht: Die Ofenatmosphäre wurde nicht korrekt gehalten
  • Abhilfe: Kalibrierung der Sauerstoffsonde überprüfen und Methanol- plus N₂-Abschirmung aufrechterhalten
• Verformung über die Zeichnungsgrenze hinaus: Die Abkühlung war ungleichmäßig oder Spannungen konzentrierten sich
  • Abhilfe: Vorrichtungsanordnung überarbeiten und Umkehrverzerrungszugabe hinzufügen
• Härte unter Spezifikation: Die Abschrecktemperatur wurde zu niedrig eingestellt
  • Abhilfe: auf 840–860°C erhöhen und prüfen, ob das Abschrecköl gealtert ist

Praxishinweis: PinyiGear liefert seit vielen Jahren bearbeitete Zahnräder für Windkraft-Antriebsstränge. Der Zusammenhang zwischen endgültiger Zahnradgenauigkeit und dem auf dem Rohling verbleibenden Aufmaß ist in unserem Stirnrad-Produkthandbuch beschrieben.

4. Quelldokumente

1. ISO 2639:2002 — Bestimmung der effektiven Einsatzhärtungstiefe
2. ISO 1328-1:2013 — Zylindrische Zahnräder — Genauigkeitssystem
3. GB/T 25744-2010 — Metallographische Prüfung von aufgekohlten und abgeschreckten Stählen
4. AGMA 2001-D04 — Normen für Zahnradwerkstoffe und Wärmebehandlung
5. Heat Treatment Distortion Management for Gearing, China Machine Press, 2021

Zusammengestellt aus routinemäßigen technischen Studiennotizen. Um über Zahnradauswahl oder ein Wärmebehandlungsproblem zu sprechen, besuchen Sie PinyiGear.

Tags: Thermische Verarbeitung von Zahnrädern · Tiefe Aufkohlung · Maßhaltigkeit · Präzisionsfertigung