Wie wählt man Rohmaterialien für das Schmieden von Zahnrädern aus?

Material Selection

Bei der Herstellung von Getriebeschmiedestücken sollte die Materialauswahl zunächst auf der Grundlage der Anwendungsszenarien und der Eigenschaften des Produkts erfolgen. Anschließend sollte eine umfassende Abwägung der mechanischen Eigenschaften, der Prozesskompatibilität und der Wirtschaftlichkeit vorgenommen werden. Im Folgenden finden Sie die sechs Kernelemente, die in industriellen Kreisen in Europa und Amerika weithin anerkannt sind:

1. Mechanische Leistungsindikatoren

Zugfestigkeit: Der wichtigste Parameter, der die Tragfähigkeit von Zahnrädern bestimmt. Beispielsweise kann die Zugfestigkeit von SAE 4340-Schmiedeteilen nach einer Vergütungsbehandlung 900–1100 MPa erreichen, wodurch sie sich für Hochleistungszahnräder in Bergbaumaschinen eignen.

Schlagzähigkeit: In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen (z. B. Getriebe von Windkraftanlagen) muss sichergestellt sein, dass das Material auch bei -40 °C die Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit von ≥27 J gemäß ASTM A370 erfüllt.

Ermüdungsgrenze: Die Versagensgrenze von Zahnrädern unter zyklischer Belastung. Die Biegeermüdungsgrenze von einsatzgehärteten Zahnrädern kann auf 600–800 MPa erhöht werden (Norm EN 10084).

Die oben genannten Umwelteigenschaften erfordern die Auswahl von Werkstoffen und Verfahren auf der Grundlage der Arbeitsbedingungen und Belastungen der Getriebeanwendungsfälle!

2. Anpassungsfähigkeit an Wärmebehandlungsprozesse

Härtefähigkeit: Die Tiefe der Materialabschreckung wird durch den Jominy-Endabschrecktest bewertet. Beispielsweise behält EN 10083-1 34CrNiMo6 bei einer Endabschreckung von 50 mm noch eine Härte von HRC 45 oder mehr und eignet sich für die Gesamtabschreckung von großmoduligen Zahnrädern.

Verformungskontrolle: Für Präzisionszahnräder sollte ein Stahl mit geringer Verformung beim Härten (z. B. SAE 8620H) gewählt werden. In Kombination mit dem isothermen Härtungsverfahren kann die Maßtoleranz auf ±0,05 mm kontrolliert werden.

3. Umweltverträglichkeit

Hohe Temperaturbeständigkeit: In Getrieben für die Luftfahrt werden häufig Schmiedeteile aus Inconel 718 (AMS 5662) verwendet, die auch bei 650 °C eine stabile Härte aufweisen.

Korrosionsbeständigkeit: Für Schiffsgetriebe werden Duplex-Edelstahlschmiedeteile (z. B. ASTM A182 F51) empfohlen. Die Lochfraßbeständigkeit (PREN) beträgt ≥35 und die Lebensdauer im Salzsprühtest übersteigt 5000 Stunden.

4.Verarbeitungsleistung

Bearbeitbarkeit: Schwefelhaltige Automatenstähle (wie SAE 1144) können den Werkzeugverschleiß reduzieren, jedoch muss der Einfluss von Sulfideinschlüssen auf die Dauerfestigkeit berücksichtigt werden.

Schmiedbarkeit: Bei Aluminiumlegierungsschmiedeteilen (wie AA 7075) muss die Schmiedetemperatur auf 350–450 °C geregelt werden, um eine Kornvergrößerung zu vermeiden.

5. Kosten und Lieferkette

Materialausnutzung: Durch die Near-Net-Shape-Schmiedetechnologie kann das Gewicht von Zahnradrohlingen um 20 % reduziert werden (WeForging-Präzisionsschmieden).

Alternative Lösung: Ersetzen Sie 4340 in nicht kritischen Teilen durch SAE 4140, wodurch die Kosten pro Tonne um etwa 300 US-Dollar gesenkt werden. Gleichzeitig werden 80 % der Arbeitsbedingungen erfüllt, jedoch müssen bestimmte Wärmebehandlungsprozesse kombiniert werden, um die Zug- und Streckgrenze zu verbessern.

6. Vorschriften und Zertifizierungsanforderungen

Automobilindustrie: IATF 16949-Zertifizierung, die die Rückverfolgbarkeit von Materialien vorschreibt (lückenlose Prozessaufzeichnungen von der Stahlherstellungsnummer bis zum fertigen Getriebe).

Energieindustrie: Getriebe für Windkraftanlagen müssen den Anforderungen für zerstörungsfreie Prüfungen (UT/MT) und Restspannungskontrolle gemäß den Normen GL2010 oder DNV-ST-0376 entsprechen.

Umfassender Vergleich der Normen für Schmiedestähle in Europa und Amerika

Amerikanische Normen (SAE/ASTM)

Normnummer	Typische Werkstoffe	Eigenschaften und Anwendungsbereiche	Empfehlungen für die Wärmebehandlung
SAE J404 1045	Kohlenstoffstahl	Kostengünstige Allzweckgetriebe, geeignet für Anwendungen mit geringer Belastung wie Landmaschinen und Förderbänder.	Normalisieren (HB 170–210) oder Vergüten (HRC 28–32)
SAE J434 D – 4340	Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungsstahl	Bevorzugt für Hochleistungszahnräder mit einer Zugfestigkeit von ≥930MPa, verwendet in Bergbaumaschinen und Schiffsantrieben.	Ölvergütung + Anlassen (HRC 35 – 40)
ASTM A668 Klasse D	Kohlenstoff-Mangan-Stahl	Eine wirtschaftliche Alternative zu SAE 1045, geeignet für die Massenproduktion von mittelgroßen und kleinen Modulzahnrädern.	Normalisieren + Oberflächenhochfrequenzhärten (HRC 50 – 55)

Fallbeispiel: Kaskade Ein Baumaschinenhersteller verwendet Schmiedeteile nach ASTM A668 Klasse D zur Herstellung der Drehgetriebe von Baggern. Durch Laseroberflächenhärtung erreicht die Härte der Zahnoberfläche HRC 58 und die Lebensdauer wird um das Dreifache erhöht.

Europäische Normen (EN/DIN/ISO)

Normnummer	Werkstoff	Typische Werkstoffeigenschaften	Anwendungsbereiche	Empfehlungen für die Wärmebehandlung
EN 10083 – 1 34CrNiMo6	Chrom-Nickel-Molybdän-legierter Stahl	Zeigt eine ausgezeichnete Kerndurchtragfestigkeit (KV≥60J)	Dient als Hauptwerkstoff für Getriebe in Kraftfahrzeugen und Luftfahrtgetriebe	Aufgekohlt und vergütet, mit einer Oberflächenhärte von 60 – 64 HRC
EN 10250 – 4 42CrMo4	Chrom-Molybdän-Stahl	Verfügt über eine Härtetiefe von ≥15 mm (in Wasser bei 850 °C gehärtet)	Verwendung für Planetengetriebe und Sonnenräder in Windkraftgetrieben	Konditionierung (HB 280–320) mit anschließender Nitrierung
DIN 17210 20MnCr5	Kohlenstoffarmer legierter Stahl	Bietet niedrige Kosten für karburierte Zahnräder mit einer Kernhärte von HRC 30–35.	Geeignet für Getriebezahnräder in Personenkraftwagen.	Gasaufkohlung mit einer Schichttiefe von 0,6–1,0 mm.

Technischer Vergleich

Ermüdungsfestigkeit: Die Biegeermüdungsfestigkeit von EN 34CrNiMo6 nach 10⁷ Zyklen ist um 12 % höher als die von SAE 4340 (Datenquelle: FZG-Zahnradprüfstand).
Kosteneffizienz: Die Materialkosten für DIN 20MnCr5 sind um 25 % niedriger als für EN 34CrNiMo6, wodurch es sich für die Massenproduktion von Getrieben für Personenkraftwagen eignet.

Spezielle Anwendungsnormen

Getriebe für die Luftfahrt: AMS 6265 (aufgekohlter Stahl) erfordert eine Korngröße ≥ Grad 5 und nichtmetallische Einschlüsse ≤ 0,015 %.
Getriebe für medizinische Geräte: ASTM F138 (Edelstahl 316LVM) muss die Anforderungen an Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit (Hochtemperatur- und Hochdruckdampfzirkulation) erfüllen.

Fälle von fehlerhafter Materialauswahl und Lösungen

Fall 1: Vorzeitige Lochfraßkorrosion an Getrieben für Windkraftanlagen

Problem: Ein Hersteller verwendete 25CrMo-Schmiedeteile zur Herstellung von Getrieben. Nach sechs Monaten Betrieb traten starke Verschleißerscheinungen an der Zahnoberfläche auf.

Analyse: Der Kohlenstoffgehalt ist zu niedrig, die Gesamtfestigkeit ist relativ gering und die Kontaktermüdungsfestigkeit liegt unter den Konstruktionsanforderungen.

Lösung: Verwenden Sie stattdessen Schmiedeteile gemäß EN 10250-4 42CrMo4. Nach zwei Normalisierungs- und Temperprozessen wird die Zahnoberflächenhärte auf HRC 55 erhöht und die Restdruckspannung durch Kugelstrahlen erhöht.

Fall 2: Übermäßige Verformung von Automobilzahnrädern beim Abschrecken

Problem: Die Elliptizität des Innenlochs des Zahnrads SAE 8620H nach dem Aufkohlen überschreitet 0,1 mm (Anforderung ≤ 0,05 mm).

Analyse: Eine ungleichmäßige Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken führt zu Verformungen.

Lösung: Verwenden Sie abgestuftes Abschrecköl (schnelles Öl → langsames Öl) und Expansionshülsen, um die Spannungsstellen in allen Winkeln relativ gleichmäßig zu gestalten und die Verformung auf 0,03 mm zu reduzieren.

Wie erhalte ich Unterstützung bei der Auswahl individueller Materialien?

Bereitstellung von Materialien (metallografische und mikrostrukturelle Analyse der Materialien im Labor) → Prozessdesign → Leistungsprüfung → Ultraschall-Fehlererkennung aus einer Hand:

Materialdatenbank: Umfasst über 200 Standardgüten aus Europa und Amerika und bietet Berichte zur chemischen Zusammensetzung.
Prozesssimulation: Mit QForm/Deform-3D simulieren wir den Schmiedeprozess und sagen Materialfluss und Fehler voraus.
Schnelltests: Wärmebehandelte Proben werden innerhalb von 72 Stunden bereitgestellt und ermöglichen Härte-, metallographische und Ermüdungstests.
Wählen Sie alternative Materialien, die unter verschiedenen Normen verwendet werden können, um die Kosten für die Massenproduktion zu senken und gleichzeitig die Qualität sicherzustellen.

Wie wählt man einen leistungsstarken Schmiedehersteller aus?

Gibt es ein zuverlässiges Labor?
Sind die Schmiedeprodukte langfristige strategische Partner für Großprojekte?
Ein Fallbeispiel ist das beste Beispiel für einen starken Hersteller, wie beispielsweise Weforging Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge.

Weforging ist ein umfassender Fertigungsbetrieb. Wenn Sie technische Probleme mit Schmieden, Formen, Wärmebehandlung, Zahnkränzen usw. haben, können Sie sich an unser technisches Team unter www.weforging.com wenden.