Gegenüberstellung von Getriebestahl-Sorten: Umrechnung und Substitutionsrisiken nach GB, DIN, JIS, AISI

Titel des Artikels: Wie man Stahlsorten für Zahnräder zuordnet: Umrechnung zwischen den vier Systemen GB, DIN, JIS und AISI sowie die Risiken von Ersatzwerkstoffen

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Dasselbe Zahnrad: In der chinesischen Zeichnung steht 20CrMnTi, in der Zeichnung des deutschen Kunden steht 16MnCr5 oder 20MnCr5, in der japanischen Zeichnung steht SCM420, in der amerikanischen Zeichnung steht 8620 – diese vier Sorten bedeuten Ähnliches, sind aber nicht direkt gleichzusetzen. Die Sortenzuordnung ist die Abbildung einer Stahlsorte eines Normsystems auf eine in einem anderen System möglichst nahe Sorte nach chemischer Zusammensetzung und Härtbarkeitsanforderungen; es handelt sich um eine näherungsweise Entsprechung. Der Ersatz (das Verwenden einer anderen Sorte anstelle des in der Zeichnung vorgegebenen Werkstoffs) erfordert darüber hinaus eine erneute Prüfung der oberen und unteren Zusammensetzungsgrenzen, der Stirnabschreckdaten, der Reinheitsanforderungen und der Wärmebehandlungsparameter. Nachfolgend werden die Zuordnungstabellen der vier Systeme für die drei häufig verwendeten Zahnradstahlgruppen – Einsatzstähle, Vergütungsstähle und Nitrierstähle –, die mechanischen Kennwertbereiche der GB-Sorten sowie die fünf Punkte, die vor einem Ersatz zwingend geprüft werden müssen, klar aufgeführt.

I. Zunächst die Definitionen der drei Begriffe klar trennen#

Sortenzuordnung: Nach der näherungsweisen Beziehung von chemischer Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften wird die Stahlsorte eines Normsystems der nächstliegenden Sorte eines anderen Systems zugeordnet. Sie liefert einen Kandidatenbereich, keine Ersatzgenehmigung.

Ersatz (Materialsubstitution): Der Kunde gibt in der Zeichnung eine bestimmte Sorte vor, der Lieferant fertigt mit einer anderen Sorte. Dieser Schritt erfordert eine erneute Bestätigung von Zusammensetzung, Härtbarkeit, Reinheitsgrad und Wärmebehandlungsverfahren und in der Regel eine schriftliche Bestätigung des Kunden.

Härtbarkeit: Die Fähigkeit von Stahl, beim Abschrecken eine bestimmte Härtungstiefe zu erreichen; sie wird mit dem Stirnabschreckversuch (Jominy) bestimmt, in China nach GB/T 225. Zwei Sorten mit gleichem oder ähnlichem Namen können unterschiedliche Härtbarkeitskurven aufweisen – dies ist einer der häufigsten Problembereiche beim Ersatz.

II. Zuordnung der vier Systeme für Einsatz-Zahnradstähle#

Die mit「—」markierten Stellen in der Tabelle bedeuten, dass dieses System keine direkt entsprechende gängige Sorte hat; das heißt nicht, dass dasselbe Zahnrad nicht mit deutschem Einsatzstahl gefertigt werden kann, sondern dass der Schritt der Prüfung von Härtbarkeit und Zusammensetzung gegangen werden muss und der Ersatz nach beidseitiger Bestätigung erfolgt. Umgekehrt muss der Lieferant, wenn der Kunde deutsche Einsatzstähle wie 16MnCr5 oder 20MnCr5 vorgibt, zunächst Querschnittsabmessung und geforderte Härtungstiefe betrachten und dann entscheiden, welche Sorte gewählt wird.

III. Zuordnung der vier Systeme für Vergütungs-Zahnradstähle#

Die Entsprechungen im Abschnitt der Vergütungsstähle sind regelmäßiger als bei den Einsatzstählen, weil chrom- und molybdänhaltige Vergütungsstähle in allen Systemen über ausgereifte Reihen verfügen. Zu beachten ist jedoch: Obwohl die Entsprechung zwischen 45-Stahl und C45 bzw. S45C häufig anzutreffen ist, hat 45-Stahl selbst eine begrenzte Härtbarkeit; bei großem Querschnitt fällt die Härte über den Querschnitt deutlicher ab als bei 42CrMo. Bei großen Querschnittsteilen ist die Vergütung mit 45-Stahl mit Vorsicht zu wählen.

IV. Zuordnung der Nitrier-Zahnradstähle#

Nitrierstähle gibt es in den einzelnen Systemen in geringer Sortenzahl, der Auswahlspielraum ist kleiner als bei Einsatzstählen. Der Vorteil der Nitrierbehandlung liegt in geringer Verformung und hoher Zahnflankenhärte; sie wird häufig für Präzisionsteile eingesetzt, bei denen nach der Wärmebehandlung kein Schleifen der Zähne möglich ist. Der Preis dafür ist eine dünne Härtungsschicht, weshalb sie für stark stoßbeanspruchte Betriebsbedingungen nicht geeignet ist.

V. Bereiche der mechanischen Kennwerte gängiger GB-Sorten#

Die Daten dienen der schnellen Einschätzung der Sortenklasse; konkrete Werte gelten gemäß Stahlwerkszeugnis und Eingangsnachprüfung.

Aus dieser Tabelle lässt sich eine Linie erkennen: Die Festigkeit von Einsatzstählen wird über die randschichtgehärtete Schicht erzielt, die Kernhärte wird auf 30~45 HRC gehalten, um Zähigkeit zu bewahren; die Festigkeit von Vergütungsstählen beruht auf dem Durchhärten des gesamten Querschnitts, die Härte liegt im Bereich von 240~320 HB. Die Entscheidung zwischen den beiden Wegen richtet sich danach, ob die Zahnflankenpressung oder die Zahnfußbiegespannung kritischer ist, nicht danach, welche Sorte hochwertiger klingt.

VI. Härte ist die gemeinsame Einheit für den Vergleich über Systeme hinweg#

Zeichnungen unterschiedlicher Systeme können Härte in HRC, HB oder HV angeben; beim gemeinsamen Abgleich desselben Zahnrads muss umgerechnet werden. Gängige Stufen (Näherungswerte):

Häufige Härteanforderungsstufen für Zahnräder:

Die Umrechnungsbeziehungen gelten nur im Näherungsbereich: Unterhalb von 20 HRC sollte auf die HRB-Skala umgestellt werden; unterhalb von 450 HB lässt sich HRC näherungsweise mit HRC ≈ (HB − 200) / 10 aus HB abschätzen. Im Bereich unter 20 HRC liefert die Messung mit der Rockwell-C-Skala große Abweichungen; bei der Abnahme sollte die Prüfskala vereinbart werden.

VII. Fünf Punkte, die vor einem Ersatz geprüft werden müssen#

VIII. Praxiserfahrung#

Bei Exportaufträgen zuerst den Kunden fragen, nach welcher Norm abgenommen wird. In der Zeichnung steht 20CrMnTi, aber der Kunde in Deutschland nimmt nach deutscher Norm ab; das Problem ist meist nicht, ob es gefertigt werden kann, sondern nach welchen Werten geliefert und geprüft wird. Ein zusätzlicher Satz im technischen Protokoll zu Materialnormnummer und Zusammensetzungsbereich erspart späteren Streit.

Stirnabschreckdaten sind vertrauenswürdiger als der Sortenname. Dieselbe Sorte von verschiedenen Stahlwerken hat unterschiedliche Härtbarkeitsbandbreiten. Bei Teilen mit Härtbarkeitsanforderung sollten die J-Werte in die Beschaffungsanforderung aufgenommen und bei der Eingangsnachprüfung abgeglichen werden; das ist sicherer, als nur auf die Sorte im Zeugnis zu schauen.

Bei Werkstoffwechsel müssen die Wärmebehandlungsparameter mit geändert werden. Nach einem Ersatz nur die Zeichnungsangabe zu ändern und das Einsatzhärteverfahren unverändert weiterzuverwenden, ist eine häufige Quelle von Serienabweichungen – ändert sich der Nickelgehalt, ändert sich bei gleichem Kohlenstoffpotenzial und gleicher Zeit auch die erreichte Härtungstiefe.

Im Prüfbericht Sorte, Normnummer und Wärmebehandlungszustand vollständig angeben. Bei der Exportwarenprüfung kann der Kunde mit Angaben wie „legierter Stahl, HRC58" seine Zeichnungsanforderung nicht zuordnen; erst wenn alle drei Punkte vollständig sind, schließt sich die Rückverfolgungskette.

Vom Werkstoffsorte bis zum fertigen Zahnrad sind die Stationen Fertigung und Prüfung präziser Stirnradverzahnungen , Drehen, Fräsen und Wärmebehandlung von Wellenbauteilen und Präzisionsbearbeitung und Zahnradschleifverfahren zu durchlaufen. Bei Standardreihenteilen (wie Zahnstangen) ist der Werkstoff direkt in der Nummer angegeben: In GY-CSTGH-020-10-S steht die Materialstelle C für S45C, M für SCM440; der Spezifikationscode 020 steht für Modul M2, 10 für die Länge 1000mm. Wenn Zeichnungen eine technische Prüfung nach Werkstoff und Wärmebehandlung erfordern, können Sie uns kontaktieren .