Material aus Metallzahnrädern

Getriebestähle können in zwei allgemeine Klassen eingeteilt werden – die reinen Kohlenstoffstähle und die legierten Stähle. Im industriellen Bereich werden in gewissem Umfang legierte Stähle verwendet, weitaus häufiger sind jedoch wärmebehandelte unlegierte Kohlenstoffstähle. Die Verwendung von unbehandelten legierten Stählen für Zahnräder ist selten, wenn überhaupt, gerechtfertigt, und dann nur dann, wenn Wärmebehandlungsmöglichkeiten fehlen. Bei der Entscheidung, ob wärmebehandelter normaler Kohlenstoffstahl oder wärmebehandelte legierte Stähle verwendet werden sollen, sind folgende Punkte zu berücksichtigen: Erfordern die Betriebsbedingungen oder die Konstruktion die überlegenen Eigenschaften der legierten Stähle, oder werden die daraus resultierenden Vorteile die zusätzlichen Kosten ausgleichen, wenn legierte Stähle nicht erforderlich sind? Für die meisten Anwendungen sind unlegierte Kohlenstoffstähle, die wärmebehandelt sind, um die besten Eigenschaften für den beabsichtigten Einsatz zu erzielen, zufriedenstellend und recht wirtschaftlich. Die Vorteile, die sich aus der Verwendung von wärmebehandelten legierten Stählen anstelle von wärmebehandelten unlegierten Kohlenstoffstählen ergeben, sind folgende:

Erhöhte Oberflächenhärte und Härteeindringtiefe bei gleichem Kohlenstoffgehalt und gleicher Abschreckung.

Möglichkeit, die gleiche Oberflächenhärte mit einer weniger drastischen Abschreckung und, bei einigen Legierungen, einer niedrigeren Abschrecktemperatur zu erreichen, wodurch weniger Verzug entsteht.

Erhöhte Zähigkeit, erkennbar an den höheren Werten für Streckgrenze, Dehnung und Flächenreduzierung.

Feinere Korngröße mit daraus resultierender höherer Schlagzähigkeit und erhöhter Verschleißfestigkeit.

Bei einigen Legierungen bessere Bearbeitungsqualitäten bzw. die Möglichkeit der Bearbeitung mit höherer Härte.

Verwendung von Einsatzstählen

Jede der beiden allgemeinen Klassen von Getriebestählen kann wie folgt weiter unterteilt werden:

Einsatzstähle;

Vollhärtestähle;

3) Stähle, die wärmebehandelt und auf eine Härte gezogen werden, die eine maschinelle Bearbeitung ermöglicht.

Die ersten beiden – Einsatzstähle und Vollhärtestähle – sind für einige Einsatzarten austauschbar, und die Wahl ist oft eine Frage der persönlichen Meinung. Einsatzstähle mit ihrem extrem harten, feinkörnigen (bei entsprechender Behandlung) Einsatz und dem vergleichsweise weichen und duktilen Kern werden im Allgemeinen verwendet, wenn Verschleißfestigkeit gewünscht ist. Einsatzhärtende legierte Stähle haben einen recht zähen Kern, sind aber nicht so zäh wie die vollhärtenden Stähle. Um den größtmöglichen Nutzen aus den Kerneigenschaften zu ziehen, sollten einsatzgehärtete Stähle doppelt abgeschreckt werden. Dies gilt insbesondere für legierte Stähle, da die Vorteile, die sich aus ihrer Verwendung ergeben, selten die zusätzlichen Kosten rechtfertigen, es sei denn, der Kern wird durch eine zweite Abschreckung verfeinert und gehärtet. Der Nachteil, der für die zusätzliche Verfeinerung zu zahlen ist, ist eine erhöhte Verzerrung, die übermäßig groß sein kann, wenn sich die Form oder das Design nicht für den Einsatzhärtungsprozess eignet.

Verwendung von „durchhärtenden“ Stählen

Durchhärtende Stähle werden eingesetzt, wenn hohe Festigkeit, hohe Dauerfestigkeit, Zähigkeit und Stoßbeständigkeit erforderlich sind. Diese Eigenschaften werden durch die Art des Stahls und die verwendete Behandlung bestimmt. In dieser Gruppe sind relativ hohe Oberflächenhärten erreichbar, wenn auch nicht so hoch wie die der Einsatzstähle. Aus diesem Grund ist die Verschleißfestigkeit nicht so hoch wie möglich, aber wenn Verschleißfestigkeit in Kombination mit hoher Festigkeit und Zähigkeit erforderlich ist, ist diese Stahlsorte den anderen überlegen. Durchhärtende Stähle verziehen sich beim Härten bis zu einem gewissen Grad, wobei das Ausmaß vom verwendeten Stahl und dem verwendeten Abschreckmedium abhängt. Aus diesem Grund eignen sich durchhärtende Stähle nicht für Hochgeschwindigkeitsgetriebe, bei denen Geräusche eine Rolle spielen, oder für Getriebe, bei denen die Genauigkeit von größter Bedeutung ist, außer natürlich in Fällen, in denen das Schleifen der Zähne praktikabel ist. Die mittleren und hohen Kohlenstoffanteile erfordern eine Ölabschreckung, bei niedrigeren Kohlenstoffgehalten kann jedoch eine Wasserabschreckung erforderlich sein, um die höchsten physikalischen Eigenschaften und Härten zu erzielen. Die Verzerrung wird jedoch bei der Wasserabschreckung größer sein.

Wärmebehandlung, die eine maschinelle Bearbeitung ermöglicht

Wenn das Schleifen von Zahnradzähnen nicht praktikabel ist und ein hohes Maß an Genauigkeit erforderlich ist, können gehärtete Stähle auf eine Härte gezogen oder angelassen werden, die das Schneiden der Zähne ermöglicht. Diese Behandlung führt zu einer hochverfeinerten Struktur, großer Zähigkeit und trotz der geringen Härte zu hervorragenden Trageeigenschaften. Die geringere Festigkeit wird durch den Wegfall der inkrementellen Belastungen aufgrund der durch Ungenauigkeiten verursachten Stöße einigermaßen kompensiert. Wenn Stähle, die eine geringe Härtedurchdringung von der Oberfläche zum Kern aufweisen, auf diese Weise behandelt werden, kann die Konstruktion nicht auf den physikalischen Eigenschaften basieren, die der Härte an der Oberfläche entsprechen. Da die physikalischen Eigenschaften durch die Härte bestimmt werden, führt der Abfall der Härte von der Oberfläche zum Kern zu geringeren physikalischen Eigenschaften an der Zahnwurzel, wo die Belastung am größten ist. Das Abschreckmedium kann je nach verwendetem Stahl und gewünschter Härteeindringung entweder Öl, Wasser oder Salzlösung sein. Das Ausmaß des Verzugs spielt natürlich keine Rolle, da die Bearbeitung nach der Wärmebehandlung erfolgt.