Auswahl von Zahnradstahl: Einsatzhärten vs. Durchhärten

Zwei Philosophien

Eine Zahnflanke benötigt eine harte, verschleißfeste Oberfläche für die Kontaktfestigkeit (Grübchenbildung) und einen zähen Kern für die Biegefestigkeit. Zwei Stahlfamilien liefern dieses Gleichgewicht auf unterschiedliche Weise.

Einsatzstähle

Kohlenstoffarme legierte Stähle — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — werden weich zerspant, aufgekohlt und dann abgeschreckt. Ergebnis: eine Randschicht von rund 58–62 HRC über einem Kern von vielleicht 30–45 HRC.

• Höchste Kontakt- und Biegewechselfestigkeit unter den gängigen Optionen.
• Die Randschichtdicke skaliert mit der Zahngröße: Eine weit verbreitete Faustregel setzt die wirksame Einsatzhärtungstiefe auf rund 0.15–0.30 × Modul — ein Zahnrad mit Modul 3 benötigt nur einige Zehntel Millimeter, ein Zahnrad mit Modul 10 benötigt proportional mehr.
• Kosten: Aufkohlungszyklen sind lang, der Verzug muss beherrscht werden (oft Fertigschleifen), und sehr große Zahnräder lassen sich nur unpraktisch gleichmäßig einsatzhärten.

Durchhärtende Stähle

42CrMo4 / 4140 und ähnliche mittelgekohlte legierte Stähle werden auf eine gleichmäßige Härte von ~28–36 HRC vergütet und dann geschnitten oder fertig zerspant. Die Oberflächenhärte — und damit die Grübchenbeständigkeit — ist geringer, aber:

• Keine Begrenzung der Randschichtdicke; geeignet für Zahnräder mit großem Modul und großem Durchmesser (Wind, Mühlen, Schiffshilfsaggregate).
• Die Zähne können anschließend induktiv gehärtet werden (rund 50–55 HRC an der Flanke), um die Oberflächendauerhaftigkeit wiederherzustellen und gleichzeitig einen vergüteten Kern zu behalten.
• Nitrierstähle sind ein dritter Weg für mäßige Lasten: sehr harte dünne Schichten mit fast keinem Verzug, bei begrenzter Schichttiefe.

Auswahllogik

Situation	Typische Wahl
Kleiner/mittlerer Modul, hohe Drehmomentdichte, Automobil- und Getriebeeinsatz	Einsatzhärten: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Großer Modul, Stoßlasten, industrielle Einzelzahnräder	Durchgehärteter 42CrMo4, optional induktiv gehärtet
Präzisionszahnräder, bei denen Verzug nicht korrigiert werden kann	Nitrierstahl
Niedrige Last, niedrige Kosten, austauschbare Zahnräder	1045 oder Stahlguss, ungehärtet oder leicht gehärtet

Die praktische Grenze ist Größe und Beanspruchung: Sobald die Module wachsen und die Einsatzhärtungstiefen einen Millimeter oder mehr überschreiten würden, steigen Kosten und Verzug beim Einsatzhärten steil an, und Durchhärten mit einer Oberflächenbehandlung gewinnt in der Regel.

Realität von Wärmebehandlung und Fertigbearbeitung

Einsatzhärten ist ein Chargenprozess, der in Stunden bis Tagen gemessen wird: Zahnräder werden mit Schleifaufmaß zerspant, einsatzgehärtet, abgeschreckt und fertiggeschliffen oder hartgeschält, um die Zahngenauigkeit wiederherzustellen — dieser Fertigbearbeitungsschritt muss von Anfang an im Prozessplan und im Toleranzbudget enthalten sein. Durchgehärtete Zahnräder sind einfacher: zuerst vergüten, dann die Zähne im gehärteten Rohling schneiden, wo die Größe es erlaubt, und die Flankenoberfläche akzeptieren, die das Hartschneiden ergibt, oder weich schneiden und induktiv härten mit etwas geringerer Genauigkeit. Bei beiden Wegen ist das Härtbarkeitsband des Stahls (das H-Band in der Einkaufsnorm) das, was die Kernhärte am Zahnfuß garantiert; eine Sorte ohne ihr Härtbarkeitsband zu spezifizieren, überlässt die wichtigste Zahnradeigenschaft dem Zufall.