Val av kugghjulsstål: Sätthärdning kontra genomhärdning

Kugghjul går sönder vid kuggens yta eller vid kuggroten, och valet av stål följer av detta: hårt ytskikt över seg kärna, eller jämn hållfasthet rakt igenom.

Två filosofier

En kugg behöver en hård, slitstark yta för kontaktstyrka (gropfrätning) och en seg kärna för böjhållfasthet. Två stålfamiljer ger den balansen på olika sätt.

Sätthärdningsstål

Lågkolhaltiga legerade stål — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — bearbetas mjuka, uppkolas och släcks sedan. Resultat: ett ytskikt på cirka 58–62 HRC över en kärna på kanske 30–45 HRC.

Högsta kontakt- och böjutmattningshållfasthet bland de vanliga alternativen.
Ytskiktets djup skalar med kuggstorleken: en allmänt använd tumregel sätter effektivt sätthärdningsdjup till cirka 0.15–0.30 × modulen — ett kugghjul med modul 3 behöver bara några tiondels millimeter, ett kugghjul med modul 10 behöver proportionellt mer.
Kostnad: uppkolningscykler är långa, deformation måste hanteras (ofta slutslipning), och mycket stora kugghjul blir opraktiska att sätthärda jämnt.

Genom härdningsstål

42CrMo4 / 4140 och liknande medelkolhaltiga legerade stål släcks och anlöps till en jämn ~28–36 HRC, och skärs eller slutbearbetas sedan. Ythårdheten — och därmed motståndet mot gropfrätning — är lägre, men:

Ingen gräns för sätthärdningsdjup; lämpligt för kugghjul med stor modul och stor diameter (vindkraft, valsverk, marina hjälpsystem).
Kuggar kan induktionshärdas efteråt (cirka 50–55 HRC på flanken) för att återfå ytans hållbarhet samtidigt som en anlöpt kärna behålls.
Nitrerade stål är en tredje väg för måttliga belastningar: mycket hårda tunna skikt med nästan ingen deformation, vid begränsat skiktdjup.

Urvalslogik

Situation	Typiskt val
Liten/mellan modul, hög momenttäthet, bil- och växellådsdrift	Sätthärdning: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Stor modul, stötbelastningar, industriella kugghjul i enstyckstillverkning	Genom härdat 42CrMo4, eventuellt induktionshärdat
Precisionskugghjul där deformation inte kan korrigeras	Nitrerstål
Låg belastning, låg kostnad, utbytbara kugghjul	1045 eller gjutstål, ohärdat eller lätt härdat

Den praktiska gränsen är storlek och spänning: när modulerna växer och sätthärdningsdjup skulle överstiga en millimeter eller så, stiger uppkolningskostnad och deformation brant, och genomhärdning med ytbehandling vinner vanligtvis.

Verkligheten för värmebehandling och finish

Uppkolning är en batchprocess som mäts i timmar till dagar: kugghjul bearbetas med slipmån, sätthärdas, släcks och slutslipas eller hårdskavas för att återställa kuggnoggrannheten — det finishsteget måste finnas i processplanen och toleransbudgeten från början. Genom härdade kugghjul är enklare: släck och anlöp först, skär sedan kuggarna i det härdade ämnet där storleken tillåter, och acceptera den flankfinish som hårdskärning ger, eller mjukskär och induktionshärda med något lösare noggrannhet. För båda vägarna är stålets härdbarhetsband (H-bandet i inköpsstandarden) det som garanterar kärnhårdheten vid kuggroten; att specificera en stålsort utan dess härdbarhetsband lämnar den viktigaste kuggegenskapen åt slumpen.