Wie man Zahnradwerkstoffe auswählt: Einsatzgrenzen von 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo und 17CrNiMo6

Kernaussage: Bei der Auswahl des Zahnradwerkstoffs wird zuerst die Wärmebehandlungsroute festgelegt, dann die Stahlsorte. Zahnräder für niedrige bis mittlere Drehzahlen und mittlere Lasten folgen der Vergütungsroute; 40Cr (nach dem Vergüten HB 260–300) reicht aus, 42CrMo (HB 280–320) ist für Schwerlastteile mit großem Querschnitt reserviert; Schwerlastzahnräder, die eine Randschichthärtung benötigen, werden einsatzgehärtet; 20CrMnTi erreicht an der Oberfläche HRC 58–62 und im Kern HRC 30–42; kleinmodulige Präzisionszahnräder mit strengen Verformungsanforderungen können mit 38CrMoAl nitriert werden, die Randschichthärte liegt bei etwa HV 950–1100. Bei Rohteilen gleicher Spezifikation kostet Einsatzstahl etwa das 1,3–1,5-Fache von Vergütungsstahl; die Werkstoffauswahl ist im Kern der Tausch von Kosten gegen Ermüdungslebensdauer.

1. Zuerst die Wärmebehandlungsroute festlegen, dann ist der Werkstoff relevant#

Die Stahlsorte allein bestimmt nicht die Qualität eines Zahnrads; erst Stahlsorte + Wärmebehandlung entscheiden. Beim selben 40Cr sind Vergüten und Randschichthärten zwei Wege; die Leistung unterscheidet sich um mehr als das Doppelte. Drei Hauptwege:

• Vergüten (Quenching and Tempering): Nach dem Härten erfolgt ein Hochtemperatur-Anlassen, wodurch ein angelassenes Sorbitgefüge entsteht; die Härte liegt üblicherweise bei HB 240–320; Festigkeit und Zähigkeit sind ausgewogen; geeignet für Zahnräder mit niedriger bis mittlerer Drehzahl, deren Zahnflankenhärte nicht hoch sein muss.
• Einsatzhärten (Carburizing and Quenching): Kohlenstoffarmer Stahl wird bei 920–950 °C aufgekohlt und anschließend abgeschreckt; die Randschicht besteht aus hochkohlenstoffhaltigem Martensit, der Kern aus einem kohlenstoffarmen, zähen Gefüge; außen hart, innen zäh; geeignet für Schwerlastzahnräder mit hoher Kontaktspannung.
• Nitrieren (Nitriding): Bei etwa 500–570 °C dringen Stickstoffatome in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre in die Oberfläche ein und bilden eine Nitrid-Härtungsschicht. Die Behandlungstemperatur ist niedrig, die Verformung gering, die Härtungsschicht jedoch dünn (üblicherweise 0,3–0,6 mm); geeignet für kleine Module, hohe Genauigkeitsanforderungen und Fälle, in denen nicht zahnflankengeschliffen wird. Reihenfolge der Werkstoffauswahl: Zuerst Zahnflankenkontaktspannung und Zahnfußbiegespannung berechnen, um zu entscheiden, ob eine Randschichthärtung erforderlich ist; falls ja, dann zwischen Einsatzstahl und Nitrierstahl wählen.

2. Einsatzgrenzen der vier gängigen Zahnradstähle#

Vergütungsstahl: 40Cr und 42CrMo#

40Cr ist in China ein stark verwendeter Vergütungsstahl für Zahnräder, günstig und leicht zu beschaffen. 42CrMo hat eine bessere Durchhärtbarkeit als 40Cr; auch bei großem Querschnitt kann der Kern durchgehärtet werden; er wird häufig für großmodulige, großdurchmessrige Wellenzahnräder verwendet. Für mittelbelastete Zahnräder mit Modul kleiner 8 und nicht großer Zahnbreite reicht 40Cr nach dem Vergüten normalerweise aus.

Einsatzstahl: 20CrMnTi und 17CrNiMo6#

20CrMnTi hat eine mittlere Durchhärtbarkeit und erreicht bei Ölabschreckung die geforderte Härte; in China wird es häufig für klein- und mittelmodulige Schwerlastzahnräder verwendet und ist in Automobilgetrieben und kundenspezifischen Zahnrad projekten sehr verbreitet. 17CrNiMo6 hat eine gute Durchhärtbarkeit und eine hohe Kernzähigkeit; es eignet sich für große Module und Fälle mit deutlicher Stoßbelastung, ist aber eine Preisklasse teurer.

Nitrierstahl: 38CrMoAl#

38CrMoAl hat nach dem Nitrieren eine hohe Oberflächenhärte und geringe Verformung; nach dem Nitrieren wird in der Regel kein Zahnflankenschleifen mehr durchgeführt. Der Nachteil ist die dünne Härtungsschicht; die Kontakt-Ermüdungsbeständigkeit ist begrenzt und bei hoher Zahnflankenlast nicht ausreichend. Voraussetzung für seinen Einsatz ist, dass die Kontaktspannung rechnerisch abgesichert ist.

3. Falsch gewählter Werkstoff führt zuerst zum Ausfall#

Drei Fallbeispiele aus der Praxis:

1. 20CrMnTi durch 40Cr ersetzt. Bei einem Abtriebszahnrad eines Getriebes trat Zahnflankenpitting auf; nach etwa 2000 Betriebsstunden bildeten sich Grübchen. Die vergütete 40Cr-Zahnflanke hatte HB 285; ihre Kontakt-Ermüdungsfestigkeit ist niedriger als die einer Einsatzhärtungsschicht. Dieses Ergebnis war eigentlich zu erwarten; das Problem lag darin, dass bei der Werkstoffauswahl in der Zeichnung die Kontaktspannung nicht berechnet wurde.
2. Großmoduliges Zahnrad aus 20CrMnTi einsatzgehärtet. Bei einem Zahnrad mit Modul 12 und Zahnbreite 120 mm erreichte die Kernhärte nur HRC 25–28, niedriger als die geforderten HRC 30; die Zahnfußbiegefestigkeit war unzureichend, das Risiko von Zahnbruch stieg. 20CrMnTi hat eine mittlere Durchhärtbarkeit; bei großem Querschnitt lässt sich der Kern nicht durchhärten; in diesem Fall sollte auf 17CrNiMo6 gewechselt werden.
3. 40Cr nur vergütet, nicht randschichtgehärtet, Zahnflankenverschleiß. Bei Zahnflanken mit hoher Drehzahl und hohem Gleitanteil hält die Vergütungshärte dem Verschleiß nicht stand; nach Umstellung auf Hochfrequenz-Randschichthärten erreichte die Zahnflankenhärte HRC 45–52, und das Verschleißproblem verschwand. Wenn der Werkstoff falsch gewählt wurde, kann eine noch so detaillierte spätere Prozessführung das nicht wieder wettmachen.

4. Werkstoffangaben auf der Zeichnung müssen vollständig sein#

Eine qualifizierte Zahnradzeichnung muss im Feld Werkstoff mindestens drei Angaben enthalten: Stahlsorte, Wärmebehandlungsart und Härtebereich. Wird nur “40Cr” ohne Wärmebehandlung angegeben, fertigt der Lieferant nach eigenen Vorstellungen, und bei der Abnahme redet jeder aneinander vorbei. Beim Einkauf ist für den Stahl ein Qualitätszeugnis zu verlangen; besonders zu prüfen sind Schmelzennummer, chemische Zusammensetzung und Makrostruktur; als Standard gilt in der Regel GB/T 3077. Bei gleicher Stahlsorte kann die Durchhärtbarkeitsbandbreite je nach Stahlwerk unterschiedlich sein; für Serienteile wird empfohlen, das Stahlwerk festzulegen. Praxishinweis: Wenn wir Präzisionszahnradbearbeitung durchführen, prüfen wir in der Phase der Zeichnungsfreigabe drei Dinge: ob die Zahnflankenkontaktspannung den zulässigen Wert des Werkstoffs überschreitet, ob die Durchhärtbarkeit des Querschnitts entsprechend Modul und Zahnbreite ausreicht und ob Härteanforderung und Prüfposition klar angegeben sind. Die meisten Nacharbeiten sind kein Bearbeitungsproblem, sondern ein Problem der Werkstoffauswahl und der Zeichnungsangaben. Bei einsatzgehärteten Teilen bestehen wir darauf, jede Charge mit mitlaufenden Probestäben zu prüfen und CHD sowie Oberflächenhärte tatsächlich zu messen; die Daten bleiben im Bericht, sodass bei späteren Problemen eine Rückverfolgung bis zur Schmelze möglich ist. Für Unterstützung bei der Werkstoffauswahl siehe Zahnradproduktkategorien ; für Informationen zu unseren Prozessfähigkeiten siehe Prozessfähigkeitsseite . Geyon Transmission — Präzisionszahnradantriebe und Bearbeitungslösungen | Erfahren Sie mehr über unsere Prozessfähigkeiten | Zahnradproduktkategorien ansehen