Anpassung der Einsatzhärtungstiefe an den Zahnradmodul und die Kernhärte

Warum die gehärtete Schicht bemessen und nicht geschätzt werden muss

Schwerlastverzahnungen setzen nach wie vor standardmäßig auf das Einsatzhärten mit anschließendem Abschrecken. Das maßgebliche Maß ist die effektive Einsatzhärtungstiefe, kurz CHD: der senkrecht von der Flankenoberfläche gemessene Abstand, bis die Härte auf 550 HV abfällt. In der Praxis wird dieser Wert an den Normalmodul gekoppelt, wobei ein Bereich von 0,15–0,25 × Modul verwendet wird. Das ergibt 0,6–0,9 mm bei Modulen bis 2,5 und 1,2–1,8 mm bei Modulen von 5–10. Wird die Schicht zu dünn, zerdrückt die Hertzsche Kontaktspannung die Flanke; wird sie zu dick, wird der Zahnfuß spröde. Eine übliche Paarung mit 20CrMnTi liefert 58–62 HRC an der Oberfläche und 30–42 HRC darunter.

Was der Einsatzhärtungs- und Abschreckzyklus bewirkt

Ein Zahnrad aus niedriglegiertem Kohlenstoffstahl wird in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre im Austenitbereich, 920–950 °C, gehalten, sodass Kohlenstoff in die Oberflächenschicht wandert. Das Abschrecken wandelt diese angereicherte Randschicht dann in kohlenstoffreichen Martensit um, während der Kern kohlenstoffarm und zäh bleibt. Verschleiß, Grübchenbildung und Fressen werden durch die harte Randschicht widerstanden; Biegebelastungen am Zahnfuß werden vom duktilen Kern getragen.

Einsatzhärten, dann abschrecken, dann bei 160–200 °C für 2–3 h anlassen — das ist die Standardreihenfolge. Die Abschreckspannungen relaxieren beim Anlassen, die Zahnfußzähigkeit kehrt zurück, und die Oberflächenhärte gibt nur wenig nach.

Zu den üblicherweise gewählten Stählen gehören 20CrMnTi, 20CrMo, 17CrNiMo6 und SAE 8620. Für kleine und mittlere Module in China wird 20CrMnTi breit eingesetzt: Seine Härtbarkeit ist mäßig, und Ölabschreckung allein reicht aus.

Wahl der effektiven Einsatzhärtungstiefe

Die CHD ist nicht dasselbe wie die gesamte Einsatzhärtungstiefe. Nur die Zone, die hart genug ist, um 550 HV zu halten, trägt tatsächlich Kontaktlast, weshalb die 550-HV-Grenze die aussagekräftige ist.

Faustregel: CHD ≈ 0,15–0,25 × Normalmodul.

Wenn die Schicht zu dünn ist, übersteigt die Kontaktspannung das, was die Randschicht tragen kann, und kollapsartige Abplatzungen erfassen die Flanke. Wenn sie zu dick ist, verteilen sich die Eigenspannungen neu, und der Zahnfuß wird anfälliger für Sprödbruch. Dicker ist nicht automatisch sicherer.

Oberflächen- und Kernhärte müssen gemeinsam spezifiziert werden

Die Kernhärte ist der am häufigsten übersehene Wert. Sobald sie über etwa 45 HRC steigt, hat der Zahnfuß fast keine plastische Reserve mehr, und jeder Riss breitet sich schnell aus. Fällt sie unter etwa 28 HRC, sinkt die Zahnfußfestigkeit, und die Biegewechselfestigkeit verkürzt sich. Bei 20CrMnTi im normalgeglühten oder vergüteten Zustand liegt der Kern normalerweise zwischen 30 und 38 HRC.

Messmethoden und praktische Hinweise

Für die Bestimmung der Einsatzhärtungstiefe gibt es zwei Wege. Das Ätzen zur Sichtbarmachung der Martensit- oder Karbidgrenze ist der metallografische Ansatz — schnell, aber seine Genauigkeit hängt von der Ätzqualität ab. Die Härteverlaufsmessung ist die entscheidende Methode: Die Härte wird von der Oberfläche nach innen aufgetragen, und die Tiefe bei 550 HV wird abgelesen. Die Messungen sollten in der Flankenmitte und am Zahnfuß erfolgen, da die beiden Stellen unterschiedliche Werte erfordern können.

Hinweis 1: Eine Zeichnungsangabe „Einsatzhärtungstiefe 1,0 mm“ ist mehrdeutig — es muss geklärt werden, ob CHD oder die gesamte Einsatzhärtungstiefe gemeint ist. Der Unterschied zwischen beiden beträgt 0,2–0,4 mm, und eine falsche Annahme führt den Lieferanten zur falschen Spezifikation.

Hinweis 2: Das Schleifaufmaß muss zum Einsatzhärtungsziel hinzugerechnet werden. Wo 0,2–0,3 mm pro Flanke abgetragen werden, muss auf CHD plus dieses Aufmaß aufgekohlt werden; andernfalls verschwindet die gehärtete Zone beim Schleifen. Viele verschrottete geschliffene Zahnräder wurden korrekt geschliffen — die Schicht war von Anfang an einfach zu dünn.

Hinweis 3: Gewindebohrungen, Ölbohrungen und Verzahnungen erfordern einen Aufkohlungsschutz, wie z. B. Verkupferung oder Abdecklack mit 0,03–0,05 mm. Ohne diesen werden Gewinde hart und spröde und splittern dann bei der Montage.

Prozessfenster und typische Fehler

Ein Kohlenstoffpotenzial von 0,75–1,05 % C und eine Temperatur von 930 ± 10 °C definieren die Aufkohlungsatmosphäre. Die Dauer wird durch die Zieltiefe und die Ofenbeladung bestimmt; in einem Kammerofen sind grob 1–1,5 h pro 0,1 mm zu veranschlagen. Das Abschrecken kann auf einem von zwei Wegen erfolgen. Direktes Abschrecken kühlt von der Aufkohlungstemperatur auf 830–850 °C vor dem Ölabschrecken ab. Wiedererwärmungs-Abschrecken kühlt zuerst langsam ab, austenitisiert dann erneut und schreckt ab — die Verzerrung ist besser kontrolliert, aber der Zyklus dauert länger.

Abschließende Punkte

Der Modul bestimmt die Einsatzhärtungstiefe; die Härtbarkeit des Werkstoffs bestimmt die Kernhärte; der nachgelagerte Schritt der Präzisions-Zahnradbearbeitung bestimmt das Schleifaufmaß. Alle drei müssen bei der Zeichnungsfreigabe festgelegt werden, dann wird spätere Nacharbeit weitgehend vermieden. Fragen zu Werkstoff und Prozess können über die Seiten Zahnradproduktpalette und unsere Fähigkeiten gestellt werden.

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