Die Wärmebehandlung ist der Punkt, an dem ein Zahnrad seine Arbeitsfestigkeit erhält. Ein aus Stahl geschnittenes Zahnrad kann die richtige Geometrie haben, verschleißt, pitted oder bricht jedoch schnell, wenn die Oberfläche für die Belastung zu weich ist. Die meisten Industriezahnräder werden daher randschichtgehärtet: eine harte, verschleißfeste Oberfläche über einem zähen, stoßabsorbierenden Kern. Die Wahl des richtigen Härteverfahrens und seine klare Spezifikation in der Zeichnung gehören zu den wichtigsten Entscheidungen beim Zahnradeinkauf.
Das Einsatzhärten, auch Aufkohlen genannt, ist das häufigste Verfahren für hochbelastete Zahnräder. Das Zahnrad wird in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre erhitzt, sodass Kohlenstoff in die Randschicht diffundiert, und anschließend abgeschreckt, um eine harte martensitische Randschicht zu bilden. Typische Einhärtetiefen liegen je nach Modul und Einsatz zwischen 0,3 mm und 2,0 mm. Werkstoffe wie 20CrMnTi sind für dieses Verfahren ausgelegt; einsatzgehärtete Zahnräder sind die Standardwahl für Getriebe in der Automobil- und Schwerindustrie.
Das Induktionshärten erhitzt nur die Zahnflanke lokal mit einer elektromagnetischen Spule, gefolgt von einer Abschreckung. Es eignet sich für mittelgekohlte Stähle wie 45 Stahl oder 40Cr, erzeugt eine harte Oberfläche bei zähem Kern und ist effizient für große Zahnräder oder Teile mit lokalisierten Härtezonen. Da nur die Oberfläche erhitzt wird, ist der Verzug meist geringer und der Prozess schnell, doch Tiefe und Muster der Härteschicht hängen von Zahngeometrie und Spulendesign ab.
Beim Nitrieren wird Stickstoff bei relativ niedriger Temperatur, typischerweise 480 bis 580 °C, in die Oberfläche eingebracht, ohne anschließende Abschreckung. Es entsteht eine sehr harte, dünne Schicht mit minimalem Verzug, was es für Präzisionszahnräder attraktiv macht, die während der Behandlung ihre Form nicht ändern dürfen. Nitrieren eignet sich für Zahnräder mit mittleren Lasten und hohen Präzisionsanforderungen, bei denen der geringe Verzug die dünnere Schicht ausgleicht.
Die Härte wird als Oberflächen- und Kernhärte angegeben, üblicherweise nach Rockwell oder Vickers gemessen. Typische Ziele sind 58 bis 62 HRC an der Zahnflanke für einsatzgehärtete Zahnräder, mit einer Kernhärte um 30 bis 40 HRC für Zähigkeit. Käufer sollten den Härtebereich, die Einhärtetiefe und angeben, ob die Härteprüfung an einem Probestück oder am eigentlichen Zahnrad erfolgen soll, da diese Entscheidungen Kosten und Lieferzeit beeinflussen.
Für ein Angebot geben Sie die Werkstoffgüte, den erwarteten Härteprozess, den Bereich für Oberflächen- und Kernhärte sowie die Einhärtetiefe an, wenn die Anwendung sie erfordert. Wenn Sie unsicher sind, kann ein fähiger Lieferant ein Verfahren anhand von Last, Drehzahl, Modul und Betriebsumgebung empfehlen. Eine klare Wärmebehandlungsspezifikation in der Zeichnung verhindert Nacharbeit und verkürzt den gesamten Projektzyklus.