Einsatzhärtungstiefe: CHD, Modul und Kernhärte abstimmen
Einsatzhärtungstiefe richtig wählen: CHD mit dem 0,15- bis 0,25-Fachen des Moduls, 550 HV, Kernhärte HRC 30-42 bei 20CrMnTi.
Wie die Härtungstiefe einsatzgehärteter Zahnräder festgelegt wird: Zusammenspiel von Modul, CHD und Kernhärte
Kernaussage: Einsatzhärten ist die vorherrschende Wärmebehandlungsroute für schwer belastete Zahnräder. Die wirksame Einsatzhärtungstiefe (CHD, vertikaler Abstand von der Zahnflanke bis zur Stelle mit 550 HV) wird üblicherweise mit dem 0.15–0.25-Fachen des Moduls angesetzt: Bei Modul unter 2.5 werden 0.6–0.9 mm gewählt, bei Modul 5–10 werden 1.2–1.8 mm gewählt. Ist die Schicht zu flach, kann die Zahnflanke plastisch eingedrückt werden; ist sie zu tief, steigt das Risiko von Sprödbrüchen. Die typische Kombination für 20CrMnTi-Zahnräder ist Oberfläche HRC 58–62, Kern HRC 30–42.
1. Was Einsatzhärten tatsächlich bewirkt#
Einsatzhärten (Carburizing and Quenching): Ein Zahnrad aus niedriglegiertem Einsatzstahl wird in den Austenitbereich (920–950°C) erwärmt, in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre Kohlenstoffatome in die Randschicht eindiffundieren lassen und anschließend schnell abgekühlt, wodurch eine hochkohlenstoffhaltige Martensitrandschicht und ein zäher Kern mit niedrigem Kohlenstoffgehalt entstehen. Eine harte Randschicht und ein zäher Kern entsprechen genau den beiden Anforderungen: Verschleißbeständigkeit der Zahnflanke und Biegefestigkeit des Zahnfußes. Der Prozessablauf ist üblicherweise: Aufkohlen → Abschrecken → Tiefanlassen (160–200°C, 2–3 h). Das Anlassen dient dazu, Härtespannungen abzubauen und das Gefüge zu stabilisieren; nach dem Anlassen fällt die Oberflächenhärte kaum ab, und die Zähigkeit des Zahnfußes wird wiederhergestellt. Typische Werkstoffe sind 20CrMnTi, 20CrMo, 17CrNiMo6, SAE 8620. Für kleine und mittlere Zahnradmodule wird im Inland überwiegend 20CrMnTi verwendet; seine Härtbarkeit ist mittel, und durch Ölabschreckung wird die geforderte Härte erreicht.
2. Wie die wirksame Einsatzhärtungstiefe CHD festgelegt wird#
Wirksame Einsatzhärtungstiefe (CHD, Case Hardening Depth): der senkrecht von der Werkstückoberfläche nach innen gemessene Abstand bis zu der Stelle, an der die Vickershärte auf 550 HV abfällt, in mm. Sie ist praktischer als die „Gesamtaufkohlungstiefe“, da nur der ausreichend harte Bereich tatsächlich die Kontaktlast trägt. In der Praxis übliche empirische Formel: CHD ≈ 0.15–0.25 × Normalmodul.
| Normalmodul mn (mm) | Empfohlener CHD-Bereich (mm) | Typische Anwendung |
|---|---|---|
| ≤ 2.5 | 0.6 – 0.9 | Automobilgetriebe, kleine Reduziergetriebe |
| 2.5 – 5 | 0.9 – 1.3 | Universelle Industriegetriebe |
| 5 – 10 | 1.2 – 1.8 | Schwerlastgetriebe, Walzwerksantriebe |
| > 10 | 1.6 – 2.5 | Große Zahnräder für Bergbau und Zementmühlen |
| Die unmittelbare Folge einer zu geringen Schichtdicke: Die Hertzsche Kontaktspannung übersteigt die Tragfähigkeit der gehärteten Schicht, und es kommt zu Abplatzungen durch plastisches Eindrücken der Zahnflanke. Bei zu großer Schichtdicke verändert sich die Eigenspannungsverteilung, und die Neigung zu Sprödbrüchen am Zahnfuß nimmt zu. Daher gilt nicht: je tiefer, desto besser. |
3. Oberflächenhärte und Kernhärte müssen aufeinander abgestimmt sein#
| Position | Typischer Bereich | Erläuterung |
|---|---|---|
| Oberflächenhärte | HRC 58–62 (ca. 650–700 HV) | Beständigkeit gegen Verschleiß, Fressen und Grübchenbildung |
| Kernhärte | HRC 30–42 | Beständigkeit gegen Zahnfuß-Biegeermüdung bei gleichzeitiger Zähigkeit |
| Randkohlenstoffgehalt | 0.75–1.05% C | Sichert Martensitthärte, steuert Restaustenit |
| Die Kernhärte ist ein Aspekt, der bei der Auslegung leicht übersehen wird. Ist der Kern zu hart (über HRC 45), fehlt beim Biegen des Zahnfußes die plastische Reserve; sobald ein Riss entsteht, breitet er sich schnell aus. Ist der Kern zu weich (unter HRC 28), ist die Festigkeit des Zahnfußes unzureichend, und die Biegeermüdungslebensdauer sinkt. Bei 20CrMnTi liegt die Kernhärte im normalgeglühten oder vergüteten Zustand üblicherweise bei HRC 30–38. |
4. Prozessparameter und häufige Fehler#
Aufkohlungstemperatur 930 ± 10°C, Kohlenstoffpotential 0.75–1.05% C; die Zeit richtet sich nach der Zielschichtdicke. Bei Chargenöfen werden pro 0.1 mm etwa 1–1.5 h benötigt (abhängig von Ofentyp und Chargenmenge). Beim Härten gibt es zwei Wege: Direkthärten (nach dem Aufkohlen auf 830–850°C abkühlen und in Öl abschrecken) und Wiedererwärmungshärten (nach dem Aufkohlen langsam abkühlen, erneut erwärmen und abschrecken; bessere Verzugsbeherrschung, aber längere Prozessdauer).
| Fehler | Erscheinungsbild | Hauptursache | Gegenmaßnahme |
|---|---|---|---|
| Randentkohlung/Innere Oxidation | Weichflecken auf der Zahnflanke, unzureichende Härte | Hoher Taupunkt des Ofengases, niedriges Kohlenstoffpotential | Ofengas kontrollieren, Kohlenstoffpotential erhöhen |
| Grobkorn | Grobes Gefüge | Aufkohlungstemperatur zu hoch, Zeit zu lang | Temperatur kontrollieren, ggf. normalglühen |
| Verzug außerhalb der Toleranz | Flankenlinienabweichung 0.02–0.08 mm | Ungleichmäßige Chargierung, hohe Härtespannungen | Symmetrisch chargieren, Schleifaufmaß vorsehen |
5. Wie die Schichtdicke geprüft wird#
- Metallographische Methode: Nach dem Ätzen werden die Karbid- oder Martensitgrenzen direkt gemessen; schnell, aber vom Ätzgrad abhängig.
- Härteverlaufsmethode (Schiedsverfahren): Senkrecht von der Oberfläche wird die Härte gemessen, eine HV-Tiefen-Kurve erstellt und die Tiefe bei 550 HV abgelesen. Die Prüfpositionen liegen üblicherweise in der Mitte der Zahnflanke und am Zahnfuß; die Anforderungen an die Schichtdicke können an beiden Stellen unterschiedlich sein. Praxistipp 1: Wenn auf der Zeichnung „Einsatzhärtungstiefe 1.0 mm“ steht, zunächst klären, ob CHD oder Gesamtaufkohlungstiefe gemeint ist. Die beiden unterscheiden sich um 0.2–0.4 mm; wird das nicht geklärt, fertigt der Lieferant nach der falschen Spezifikation. Praxistipp 2: Das Schleifaufmaß muss in die Schichtdicke eingerechnet werden. Beträgt die einseitige Schleifzugabe der Zahnflanke 0.2–0.3 mm, muss die Aufkohlungsschicht als „CHD + Schleifaufmaß“ mit Reserve ausgelegt werden; andernfalls ist nach dem Schleifen keine gehärtete Schicht mehr vorhanden. Viele Ausschussstücke beim Zahnradschleifen entstehen nicht durch das Schleifen selbst, sondern durch zu geringe Schichtdickenreserve. Praxistipp 3: Bereiche mit Gewindebohrungen, Ölbohrungen oder Keilwellenverzahnungen müssen gegen Aufkohlung geschützt werden (Verkupfern oder Aufkohlungsschutzmittel, Dicke 0.03–0.05 mm). Wird dieser Schritt eingespart, werden die Gewinde hart und spröde und brechen bei der Montage leicht aus.
6. Zum Schluss#
Die Einsatzhärtungsparameter werden nicht isoliert gewählt. Die Schichtdicke richtet sich nach dem Modul, die Kernhärte nach der Härtbarkeit des Werkstoffs, und das Schleifaufmaß nach dem nachfolgenden Präzisions-Zahnradbearbeitung -Prozess. Werden diese drei Punkte bei der Zeichnungsfreigabe einmal eindeutig festgelegt, ist das deutlich weniger aufwendig, als nach einer Nacharbeit den Prozess erneut anzupassen. Wenn Sie Unterstützung bei der Materialauswahl oder beim Prozess benötigen, können Sie die Seiten Zahnradproduktkategorien und Prozessfähigkeiten aufrufen. Geyon Transmission — Lösungen für Präzisionszahnradantriebe und -bearbeitung | Erfahren Sie mehr über unsere Prozessfähigkeiten | Zahnradproduktkategorien ansehen