Valg av tannhjulsstål: Settherding mot gjennomherding

To filosofier

En tannhjulstann trenger en hard, slitasjebestandig overflate for kontaktstyrke (gropdannelse) og en seig kjerne for bøyestyrke. To stålfamilier leverer den balansen på ulik måte.

Settherdingsstål

Lavkarbonlegerte stål — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — maskineres myke, karbureres og bråkjøles deretter. Resultat: et overflatelag på omtrent 58–62 HRC over en kjerne på kanskje 30–45 HRC.

• Høyeste kontakt- og bøyeutmattingsstyrke blant de vanlige alternativene.
• Settdybden skalerer med tannstørrelsen: en mye brukt tommelfingerregel setter effektiv settdybde til omtrent 0.15–0.30 × modul — et tannhjul med modul 3 trenger bare noen tidels millimeter, et tannhjul med modul 10 trenger proporsjonalt mer.
• Kostnad: karbureringssykluser er lange, deformasjon må håndteres (ofte finishsliping), og svært store tannhjul blir upraktiske å sette jevnt.

Gjennomherdingsstål

42CrMo4 / 4140 og lignende mellomkarbonlegerte stål bråkjøles og anløpes til en jevn hardhet på ~28–36 HRC, og skjæres eller finishmaskineres deretter. Overflatehardheten — og dermed motstanden mot gropdannelse — er lavere, men:

• Ingen grense for settdybde; egnet for tannhjul med stor modul og stor diameter (vind, valseverk, marine hjelpesystemer).
• Tennene kan induksjonsherdes etterpå (omtrent 50–55 HRC på flanken) for å gjenvinne overflatens holdbarhet, samtidig som kjernen forblir anløpt.
• Nitrerte stål er en tredje vei for moderate belastninger: svært harde tynne lag med nesten ingen deformasjon, med begrenset lagdybde.

Valglogikk

Situasjon	Typisk valg
Liten/middels modul, høy momenttetthet, bil- og girkassedrift	Settherding: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Stor modul, støtbelastninger, industrielle engangstannhjul	Gjennomherdet 42CrMo4, eventuelt induksjonsherdet
Presisjonstannhjul der deformasjon ikke kan korrigeres	Nitreringsstål
Lav belastning, lav kostnad, utskiftbare tannhjul	1045 eller støpestål, uherdet eller lett herdet

Den praktiske grensen er størrelse og spenning: når modulene vokser og settdybdene ville overstige en millimeter eller så, stiger karbureringskostnad og deformasjon bratt, og gjennomherding med overflatebehandling vinner vanligvis.

Virkeligheten ved varmebehandling og finish

Karburering er en satsprosess målt i timer til dager: tannhjul maskineres med slipetillegg, settes, bråkjøles og finishslipes eller hardskaves for å gjenopprette tannnøyaktigheten — etterbehandlingstrinnet må være med i prosessplanen og toleransebudsjettet fra starten. Gjennomherdede tannhjul er enklere: bråkjøl og anløp først, skjær deretter tennene i det herdede emnet der størrelsen tillater det, og godta flankeoverflaten hardskjæring gir, eller mykskjær og induksjonsherd med noe løsere nøyaktighet. For begge veier er stålets herdbarhetsbånd (H-båndet i innkjøpsstandarden) det som garanterer kjernehardheten ved tannroten; å spesifisere en kvalitet uten herdbarhetsbåndet overlater den viktigste tannhjulsegenskapen til tilfeldighetene.