Tandwielstaal kiezen: inzetharden versus doorharden

Tandwielen falen aan het tandoppervlak of aan de tandvoet, en de staalkeuze volgt daaruit: harde randlaag over taaie kern, of uniforme sterkte door en door.

Twee filosofieën

Een tandwieltand heeft een hard, slijtvast oppervlak nodig voor contactsterkte (pitting) en een taaie kern voor buigsterkte. Twee staalfamilies leveren die balans op verschillende wijze.

Inzetstalen (carboneerstalen)

Laag-koolstof gelegeerde stalen — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — worden zacht bewerkt, gecarboneerd en vervolgens afgeschrikt. Resultaat: een randlaag van ongeveer 58–62 HRC over een kern van misschien 30–45 HRC.

Hoogste contact- en buigvermoeiingssterkte van de gangbare opties.
Randlaagdikte schaalt met tandgrootte: een veelgebruikte vuistregel stelt de effectieve randlaagdikte op ongeveer 0.15–0.30 × module — een tandwiel met module 3 heeft slechts enkele tienden van een millimeter nodig, een tandwiel met module 10 heeft proportioneel meer nodig.
Kosten: carboneercycli zijn lang, vervorming moet worden beheerst (vaak naslijpen), en zeer grote tandwielen worden onpraktisch om uniform in te zetten.

Doorhardende stalen

42CrMo4 / 4140 en vergelijkbare middelhoog-koolstof gelegeerde stalen worden veredeld tot een uniforme ~28–36 HRC, vervolgens gesneden of nabewerkt. Oppervlaktehardheid — en dus putweerstand — is lager, maar:

Geen limiet aan randlaagdikte; geschikt voor tandwielen met grote module en grote diameter (wind, walserij, scheepshulpwerktuigen).
Tanden kunnen achteraf inductiegehard worden (ongeveer 50–55 HRC op de flank) om de oppervlakteduurzaamheid terug te winnen met behoud van een veredelde kern.
Genitreerde stalen zijn een derde route voor matige belastingen: zeer harde dunne lagen met bijna geen vervorming, bij beperkte laagdikte.

Selectielogica

Situatie	Typische keuze
Kleine/middelgrote module, hoge koppelingsdichtheid, automotive- en versnellingsbakdienst	Inzetharden: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Grote module, schokbelastingen, eenmalige industriële tandwielen	Doorgehard 42CrMo4, optioneel inductiegehard
Precisietandwielen waar vervorming niet kan worden gecorrigeerd	Nitreerstaal
Lage belasting, lage kosten, vervangbare tandwielen	1045 of gietstaal, ongehard of licht gehard

De praktische grens is maat en spanning: zodra modules groeien en randlaagdiktes een millimeter of zo zouden overschrijden, stijgen carboneerkosten en vervorming steil, en wint doorharden met een oppervlaktebehandeling meestal.

Realiteit van warmtebehandeling en afwerking

Carboneren is een batchproces gemeten in uren tot dagen: tandwielen worden bewerkt met een slijptoegift, ingezet, afgeschrikt en nageslepen of hard geschild om de tandnauwkeurigheid te herstellen — die afwerkingsstap moet vanaf het begin in het procesplan en het tolerantiebudget zitten. Doorgeharde tandwielen zijn eenvoudiger: eerst afschrikken en ontlaten, vervolgens de tanden snijden in het geharde blank waar de maat het toelaat, waarbij de flankafwerking wordt aanvaard die hard snijden geeft, of zacht snijden en inductieharden met iets lossere nauwkeurigheid. Voor beide routes is de hardbaarheidsband van het staal (de H-band in de inkoopnorm) wat de kernhardheid aan de tandvoet garandeert; een kwaliteit specificeren zonder hardbaarheidsband laat de belangrijkste tandwieleigenschap aan het toeval over.