Vergleich von Getriebestählen: 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo und 17CrNiMo6

Der Wärmebehandlungsweg kommt zuerst; der Sortenname kommt zweitens

Keine Stahlsorte allein bestimmt, wie ein Zahnrad funktioniert. Was es bestimmt, ist die Paarung einer Sorte mit einer Wärmebehandlung. Nehmen Sie einen 40Cr-Stab: Vergüten Sie ihn oder härten Sie ihn randschicht, und die beiden Ergebnisse unterscheiden sich um mehr als das Doppelte.

Drei Wege machen den Großteil der Arbeit aus:

• Vergüten (Q&T) — das Teil wird abgeschreckt und dann bei erhöhter Temperatur gehalten, um Vergütungssorbit zu erzeugen. HB 240–320 ist das übliche Härtefenster. Duktilität und Festigkeit werden gleichzeitig erreicht, ausreichend für langsam- und mittelschnelllaufende Zahnräder, deren Flanken nicht besonders hart sein müssen.
• Einsatzhärten und Abschrecken — eine kohlenstoffarme Sorte wird bei 920–950°C in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre gehalten und dann abgeschreckt. Kohlenstoff hebt die Flanke auf Martensit an, während das Innere kohlenstoffarm und duktil bleibt: eine harte Haut über einem weichen Kern. Zahnräder unter schwerer Kontaktspannung sind die natürliche Anwendung.
• Nitrieren — bei etwa 500–570°C treibt ammoniakhaltiges Gas Stickstoff in die Oberfläche und erzeugt eine nitridgehärtete Zone. Der Verzug bleibt gering, weil die Temperatur niedrig ist, doch die Schicht ist flach (0,3–0,6 mm in der üblichen Praxis), was sie auf kleinmodulige Präzisionszahnräder beschränkt, die kein Fertigschleifen erfordern.

Entscheidungsreihenfolge: Ermitteln Sie zuerst die Zahnfuß-Biegespannung und die Flankenkontaktspannung. Das sagt Ihnen, ob die Oberfläche gehärtet werden muss. Wenn ja, ist die nächste Frage Einsatzstahl oder Nitrierstahl.

Kurz gesagt: Legen Sie den Wärmebehandlungsweg vor der Sorte fest. Langsam- und mittelschnelllaufende Zahnräder unter mäßiger Last werden üblicherweise durch vergüteten 40Cr (HB 260–300 nach dem Vergüten) bedient; 42CrMo (HB 280–320) übernimmt, wo die Querschnitte größer und schwerer sind. Wo eine harte Flanke unter schwerer Last zwingend erforderlich ist, einsatzhärten: 20CrMnTi liefert HRC 58–62 an der Oberfläche über einem Kern von HRC 30–42. Kleinmodulige Präzisionszahnräder, bei denen Verzug das Problem ist, eignen sich für 38CrMoAl-Nitrieren, mit einer Oberflächenhärte nahe HV 950–1100. Auf einem identischen Rohteil kostet ein Einsatzstahl etwa das 1,3–1,5-fache eines Vergütungsstahls — die Wahl eines Materials bedeutet im Wesentlichen, mehr zu zahlen, um Ermüdungslebensdauer zu gewinnen.

Die gängigen Getriebestähle der Aufgabe zuordnen

Diese Kosten gehen von derselben Rohteilgröße aus und lassen die Wärmebehandlung außer Betracht. Was der Aufpreis für einen Einsatzstahl kauft, ist Kontaktermüdungslebensdauer: Bei gleicher Last hält eine einsatzgehärtete Flanke typischerweise eine Stufe besser gegen Grübchenbildung stand als eine Q&T-Flanke.

40Cr und 42CrMo: das Vergütungspaar

In China ist 40Cr der am häufigsten anzutreffende Vergütungsstahl für Zahnräder — billig und leicht verfügbar. 42CrMo härtet bis zu größerer Tiefe aus, sodass schwere Querschnitte durchhärten; diese Eigenschaft ist der Grund, warum große Modul- und Zahnräder mit großem Durchmesser daraus geschnitten werden. Wenn die Last mäßig ist, das Modul unter 8 liegt und die Zahnbreite begrenzt ist, erledigt vergüteter 40Cr im Allgemeinen die Aufgabe.

20CrMnTi und 17CrNiMo6: das Einsatzhärtungspaar

Die Härtbarkeit von 20CrMnTi ist nur mäßig, doch ein Ölabschrecken bringt es dennoch auf die erforderliche Härte — der Grund, warum es in China bei klein- und mittelmoduligen Schwerlastzahnrädern dominiert und wiederholt in Automobilgetrieben und kundenspezifischen Zahnrädern auftaucht. Tiefere Härtung und ein zäherer Kern sind das, was 17CrNiMo6 bietet, was für große Module und starke Stoßbelastung geeignet ist, zu einem höheren Preis.

38CrMoAl: die Nitrierwahl

Ein nitriertes 38CrMoAl-Teil kombiniert hohe Oberflächenhärte mit minimalem Verzug, und Fertigschleifen ist normalerweise unnötig. Die flache Randschicht ist der Haken: Die Kontaktermüdungskapazität ist begrenzt, sodass schwere Flankenlasten außer Reichweite sind. Verwenden Sie es nur, wo die Kontaktspannungsberechnung unter dem Grenzwert bleibt.

Eine vollständige Zeichnung gibt das Material vollständig an

Der Materialblock einer fertigen Zahnradzeichnung enthält drei Einträge: Stahlsorte, Wärmebehandlung, Härtebereich. Lassen Sie die Wärmebehandlung weg und schreiben Sie nur „40Cr“, und der Lieferant muss raten, während die Abnahme zu einem Streitfall wird.

Holen Sie ein Werkszeugnis vom Stahllieferanten ein — Schmelzennummer, chemische Zusammensetzung, Makrostruktur — normalerweise nach GB/T 3077. Da sich die Härtbarkeitsbänder von Werk zu Werk selbst für eine Sorte unterscheiden, legen Sie sich für die Serienproduktion auf ein einziges Werk fest.

Praxishinweise: Bei der Zeichnungsfreigabe während unserer Präzisions-Zahnradbearbeitung werden drei Prüfungen durchgeführt: Bleibt die Flankenkontaktspannung unter dem zulässigen Wert für das Material, fällt die durch Modul und Zahnbreite implizierte Querschnittsgröße in die Härtbarkeit, und sind Härteanforderungen und Messpositionen ausdrücklich angegeben. Nacharbeit lässt sich üblicherweise auf Material oder Beschriftung zurückführen, nicht auf die Bearbeitung. Jede von uns durchgeführte Einsatzhärtungscharge führt einen Begleitprüfstab mit; CHD und Oberflächenhärte werden gemessen und die Aufzeichnungen archiviert, sodass ein späterer Ausfall auf seine Charge zurückverfolgt werden kann. Um Auswahloptionen zu prüfen, durchsuchen Sie die Zahnradproduktpalette; Prozessinformationen finden Sie auf unserer Seite Fähigkeiten.

Falsches Material zeigt sich als Ausfall

Unsere Aufzeichnungen enthalten drei lehrreiche Fälle:

1. 40Cr verwendet, wo 20CrMnTi spezifiziert war. Grübchenbildung brach an einem Abtriebszahnrad eines Getriebes nach etwa 2.000 Betriebsstunden aus. Die Kontaktermüdungsfestigkeit einer Q&T-40Cr-Flanke bei HB 285 liegt unter der einer einsatzgehärteten Schicht, sodass das Ergebnis vorhersehbar war — niemand hatte eine Kontaktspannungsprüfung an der Zeichnung durchgeführt.
2. Ein großmoduliges Zahnrad aus 20CrMnTi einsatzgehärtet. Die Kernhärte eines Modul-12-Zahnrads mit 120 mm Zahnbreite betrug nur HRC 25–28, unter der Anforderung von HRC 30; die Zahnfuß-Biegefestigkeit war daher zu gering und das Zahnbruchrisiko stieg. Dicke Querschnitte härten in 20CrMnTi nicht durch; der Auftrag erforderte 17CrNiMo6.
3. 40Cr Q&T ohne Randschichthärtung, Flanke abgenutzt. Wo Flanken schnell laufen und die Gleitverhältnisse hoch sind, bietet Q&T-Härte keinen Schutz gegen Verschleiß. Induktionsrandschichthärten auf HRC 45–52 setzte dem ein Ende.

Nichts, was nachgelagert getan wird, kann ein Material wettmachen, das von Anfang an falsch war.

PinyiGear — Präzisions-Zahnradantriebe und Bearbeitungslösungen | Unsere Fähigkeiten | Zahnradproduktkategorien