Weiche oder harte Zahnflanke? Die 350-HBW-Grenze für Werkstoff, Wärmebehandlung und Fertigungsfolge

Kernantwort: Bei der Auswahl von Getriebematerialien wird zuerst die Zahnflankenhärte bestimmt, dann die Stahlsorte betrachtet. In der ingenieurtechnischen Praxis wird 350 HBW als Grenzlinie zwischen weichen und harten Zahnflanken angesetzt — unterhalb der Grenze wird das Vergütungsverfahren eingesetzt: 45 Stahl bei etwa 217–255 HBW, 40Cr bei etwa 241–286 HBW, 42CrMo bei etwa 269–302 HBW, wobei die Prozessreihenfolge „erst verzahnen, danach wärmebehandeln" lautet, sodass die Verzugserscheinungen der Wärmebehandlung das bereits geformte Zahnprofil nicht beeinträchtigen und die Kosten niedrig sind; oberhalb der Grenze wird Einsatzhärten eingesetzt: 20CrMnTi kann an der Oberfläche 58–62 HRC erreichen, während der Kern bei 30–45 HRC bleibt, und die Reihenfolge kehrt sich um zu „erst wärmebehandeln, danach Zähne schleifen", was mehr Arbeitsgänge und höhere Kosten mit sich bringt, aber bei gleicher Belastung kann das Getriebe kleiner und leichter gebaut werden. 350 HBW ist eine ingenieurtechnische Konvention, kein in einer Norm festgelegter Wert; in der Praxis muss sie gemeinsam mit Drehzahl, Belastung, Stoß und Bauraumbeschränkungen abgewogen werden.

1. Zuerst fragen: weiche Zahnflanke oder harte Zahnflanke#

Weiche Zahnflanken bezeichnen Zahnräder mit einer Zahnflankenhärte unter 350 HBW nach dem Vergüten oder Normalglühen. Die Zahnflanke ist weich und verbessert den Kontakt durch Einlaufen; die Prozessreihenfolge lautet „erst verzahnen, danach wärmebehandeln", sodass der Verzug der Wärmebehandlung die bereits geformte Zahnprofilgenauigkeit nicht zerstört und die Kosten niedrig sind.

Harte Zahnflanken weisen eine Zahnflankenhärte über 350 HBW (oder über 45 HRC) auf. Die Zahnflanke ist hart und die Tragfähigkeit groß; bei gleicher Belastung kann das Getriebe kleiner und leichter sein; aber die Reihenfolge kehrt sich um — erst wärmebehandeln, dann Zähne schleifen — was mehr Arbeitsgänge und höhere Kosten mit sich bringt.

Die 350-HBW-Grenze ist eine in der Branche gebräuchliche ingenieurtechnische Konvention, keine von einer Norm festgelegte Zahl. Was wirklich entscheidet, sind die Drehzahl, die Belastung, ob Stöße auftreten und wie viel Einbauraum zur Verfügung steht.

2. Schnellübersicht gängiger Getriebematerialien und Härten#

Die Härtewerte in der Tabelle sind gängige Handbuchbereiche; die endgültigen Werte richten sich nach der Zeichnung und der technischen Vereinbarung.

3. Warum Einsatzhärten eine „harte Oberfläche und einen zähen Kern" ergibt#

Beim Einsatzhärten wird kohlenstoffarmer Stahl (Kohlenstoffgehalt 0,15 %–0,25 %) in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre erhitzt, sodass Kohlenstoff in die Oberfläche diffundiert, gefolgt von Abschrecken und Tiefanlassen. Ein einzelnes Zahnrad hat dann zwei Persönlichkeiten zugleich: Der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche steigt auf etwa 0,8 %, und nach dem Abschrecken erreicht die Härte 58–62 HRC, was Verschleißfestigkeit und Druckbeständigkeit verleiht; der Kohlenstoffgehalt im Kern bleibt im Wesentlichen unverändert, mit einer Härte von 30–45 HRC, was hohe Festigkeit und Bruchbeständigkeit unter Schlagbelastung ergibt.

Sowohl Ti als auch Mn in 20CrMnTi können die Härtbarkeit verbessern, sodass auch größere Querschnitte durchgehärtet werden können. Die üblicherweise verwendete wirksame Einsatzhärtungstiefe für Zahnräder mittlerer Belastung beträgt 0,8–1,5 mm: Zu flach, und die gehärtete Schicht wird unter Last versagen; zu tief, und die Kosten steigen, während die Schlagzähigkeit tatsächlich abnimmt.

Das Einsatzhärten hat einen weiteren nebensächlichen Vorteil: Die martensitische Umwandlung an der Oberfläche hinterlässt Eigenspannungen (Druckspannungen), sodass das Biegeermüdungsverhalten am Zahnfuß besser vorhersagbar ist als bei induktionsgehärteten Teilen gleicher Härte. Deshalb verwenden Getriebe mit Schlagbelastungen — Automobile, Baumaschinen — fast ausschließlich Einsatzstahl.

4. Einige Fallstricke, in die man leicht tappt#

1. Eine Zeichnung, die nur die Stahlsorte und nicht die Härte angibt, ist eine unvollständige Information. Derselbe 40Cr kann zwei Wege gehen, Vergüten oder Randschichthärten, und die Zahnflankenhärte unterscheidet sich um fast den Faktor zwei (241–286 HBW gegenüber 45–55 HRC), sodass Prozessroute, Angebot und Lieferzeit völlig unterschiedlich sind.
2. Einsatzgehärtete Teile benötigen im Voraus ausreichend Schleifzugabe. Die Verformung durch Einsatzhärten und Abschrecken lässt sich nicht vermeiden, und das Zahnschleifen ist die letzte Gewährleistung der Genauigkeit. Die Schleifzugabe für einsatzgehärtete Teile ist üblicherweise größer als für vergütete Teile (üblicherweise 0,2–0,3 mm pro Seite bei mittlerem Modul), und die gehärtete Schicht darf nicht durchgeschliffen werden.
3. Für die Kleinserien-Erprobung sollte man nicht sofort 20CrMnTi wählen. Der Zyklus für Einsatzhärten plus Zahnschleifen bemisst sich in Wochen; wenn die Belastung nicht groß ist, reicht 40Cr oder sogar vergüteter 45-Stahl aus und kostet weniger. Teures Material zu wählen ist keine Leistung; das richtige zu wählen ist es.

5. Nur wenn die Materialinformationen klar geschrieben sind, kann der Preis klar besprochen werden#

Eine qualifizierte Zahnradzeichnung sollte mindestens drei Dinge in der Materialspalte angeben: Stahlsorte, Wärmebehandlungsverfahren und Härtebereich. Sobald diese drei definiert sind, gibt es eine Grundlage für die Diskussion der Prozessroute und der Kosten — gerad- und schrägverzahnte zylindrische Zahnräder werden nach Zeichnung gefertigt, Bearbeitungsunterstützung umfasst Schruppwälzfräsen, Schlichtwälzfräsen, Zahnradschaben und Zahnschleifen, und die Wärmebehandlungs- und Prüfkapazitäten sind im Inspektions- und Qualitätssystem dargestellt.

Senden Sie die Zeichnung herüber — Modul, Zähnezahl, Genauigkeitsgrad, Wärmebehandlungsanforderungen, Betriebsbedingungen — und das Engineering-Team wird nach der Zeichnungsprüfung mit Material- und Wärmebehandlungsempfehlungen, Prozessroute und Angebot antworten. Kontaktieren Sie Geyon Transmission .