Die Härte der Schneckenwelle eines Schneckengetriebes ist der unscheinbare technische Parameter, der darüber entscheidet, ob ein Schneckengetriebe seine im Katalog angegebene Lebensdauer erreicht oder durch Abrieb des Schneckengewindes vorzeitig ausfällt. Das Bronzerad verschleißt bewusst als Verschleißteil; die Schneckenwelle darf dies nicht. Um zwei bis drei Zahnwechselzyklen des Bronzerads übersteht, muss die Oberfläche der Schneckenwelle eine Härte von HRC 58–62 aufweisen, während das Bronzerad eine Härte von etwa 90 HRC hat – ein Härteverhältnis von 5–7, das durch die unten erläuterte Metallurgie und die Wärmebehandlungsprozesse erreicht wird. Informationen zu den Bronzewerkstoffen, mit denen diese gehärtete Oberfläche in Eingriff kommt, finden Sie in unserer Dokumentation. Leitfaden zu Bronzerädern – Werkstoffe.

Warum die Schneckenwelle härter sein muss als das Bronzerad

Das Härteverhältnis zwischen Schneckenwelle (Stahl) und Schneckenrad (Bronze) ist entscheidend für die Auslegung des Verschleißpaares. Die Schneckengetriebewelle ist so konstruiert, dass sie mehrere Bronzeräder überdauert – ein typisches Schneckengetriebegehäuse kann zwei bis drei Zahnwechselzyklen durchlaufen, bevor es ausgetauscht werden muss, wobei dieselbe Schneckenwelle alle Zyklen übersteht. Um über 80.000 bis 120.000 Betriebsstunden hinweg im Wesentlichen formstabil zu bleiben, muss die Wellenoberfläche so hart sein, dass die Bronze daran entlangläuft, ohne den Stahl abzureiben.

Das Härteverhältnis von 5-7 (Stahl HRC 58 vs. Bronze 90 HB ≈ HRC 5-8) ist so groß, dass fast ausschließlich die Bronze verschleißt. Tribologische Untersuchungen zum Verschleiß von Schneckengetrieben an koreanischen und japanischen Universitäten zeigen übereinstimmend, dass Härteverhältnisse über 4 einen Gesamtverschleiß von über 951 TP3T im weicheren Bauteil bewirken – das heißt, die Stahlschneckenwelle erleidet weniger als 51 TP3T des Verschleißes, den das Bronzerad erleidet. Über 30.000 Betriebsstunden kann das Bronzerad 0,4-0,8 mm Zahnprofil verlieren, während die Schneckenwelle 5-15 Mikrometer an der Gewindespitze einbüßt. Der Stahl verschleißt im Wesentlichen nicht über die gesamte Lebensdauer. Dieses Härteverhältnis ist spezifisch für Gleitgetriebe – Wälzgetriebe wie … Planetengetriebe Der Verschleiß wird gleichmäßig auf beide Bauteile verteilt, daher ist diese asymmetrische Härtevorgabe nicht erforderlich.

Wird die Zielhärte des Schneckengetriebes nicht erreicht – beispielsweise durch unzureichende Aufkohlungstiefe, zu stark angelassene Oberfläche oder fehlerhaftes Abschrecken –, verschiebt sich die Verschleißverteilung. Bei einer Schneckenwellenoberfläche mit HRC 45 statt HRC 60 beträgt der Verschleiß am Kontaktpunkt 15–201 TP3T statt 51 TP3T. Die Lebensdauer des Verschleißpaares sinkt um den Faktor 2–3 aufgrund schnelleren Wellenpolierens und beschleunigten Bronzeverschleißes in der verschlechterten Kontaktgeometrie. Die Härtevorgabe der Schneckenwelle ist der wichtigste Faktor für die Lebensdauer des Verschleißpaares.

Drei Härtungsmethoden in der gesamten Branche

Drei Wärmebehandlungsverfahren erzielen die erforderliche Oberflächenhärte der Schneckenwelle in der modernen Schneckengetriebefertigung. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Prozesskomplexität, Anlagenkosten, erreichbarer Einsatzhärtungstiefe und der möglichen Verformungskontrolle. Die meisten koreanischen und japanischen Getriebehersteller setzen standardmäßig entweder Einsatzhärten oder Induktionshärten ein, während Durchhärten Spezialanwendungen vorbehalten bleibt, bei denen die Maßanforderungen gegen Einsatzhärten sprechen.

Die Wahl des Härteverfahrens in einem Werk hängt primär von Produktionsvolumen, Gehäusegrößen und der Verfügbarkeit von Anlagen ab. Einsatzhärteanlagen für Schneckengetriebe eignen sich für die Massenproduktion kleiner Gehäusewellen; Induktionsanlagen sind für kleinere Gehäusegrößen geeignet; Durchhärtungsanlagen werden für spezielle dünnwandige Wellen verwendet, die bei den anderen beiden Verfahren reißen oder sich verformen würden. Ein Käufer, der die Härtespezifikation einer Schneckenwelle prüft, muss das vom Hersteller angewandte Verfahren kennen, um das resultierende Härteprofil korrekt zu interpretieren.

Einsatzhärten (Aufkohlen) – Das Standardverfahren

Die Einsatzhärtung (Aufkohlung) ist der wichtigste Fertigungsschritt bei kleinen und mittelgroßen Schneckenwellen in koreanischen, japanischen und europäischen Schneckengetriebewerken. Dabei wird Kohlenstoff in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre (Gas, Paste oder Salzbad) bei 900–950 °C in die Oberfläche eines kohlenstoffarmen Stahlsubstrats diffundiert. Anschließend wird abgeschreckt und angelassen, um eine harte martensitische Randschicht zu erhalten und gleichzeitig einen zähen Kern zu bewahren.

Das Aufkohlen ist nach wie vor die kostengünstigste Standardmethode für Schneckengetriebewellen bis zu einem Durchmesser von ca. 80 mm und einer Länge von 800 mm. Das Verfahren eignet sich gut für die Serienfertigung – ein einzelner Chargenofen verarbeitet 50 bis 100 Wellen pro Zyklus – und das resultierende Oberflächenprofil entspricht der Standardhärte gemäß Katalog für den Großteil der industriellen Schneckengetriebeproduktion.

Induktionshärtung – Die präzise lokale Behandlungsoption

Die Induktionshärtung nutzt eine elektromagnetische Spule im Hochfrequenzbereich, um ausschließlich die Oberfläche des Schneckengewindes zu erhitzen, während der Rest der Welle seine Ausgangshärte behält. Diese lokale Behandlung vermeidet die Erwärmung der gesamten Welle, die lange, einsatzgehärtete Wellen verformen würde. Daher ist sie die Standardwahl für die Fertigung von großformatigen Schneckengetrieben, bei denen Maßgenauigkeit wichtiger ist als die absolute Härtetiefe.

Die Induktionshärtung dominiert die koreanische Schneckengetriebeproduktion bei Baugrößen ab 100 mm und Wellenlängen über 1 Meter. Das Verfahren ist in 30–90 Sekunden pro Welle abgeschlossen (im Vergleich zu Stunden pro Ofenzyklus beim Aufkohlen) und vermeidet den Verzug, der bei langen, dünnen Wellen sonst ein nachträgliches Richten erforderlich machen würde.

Durchhärtung – Die Spezialalternative

Beim Durchhärten wird die gesamte Schneckengetriebewelle auf ihre Austenitisierungstemperatur erhitzt, gleichmäßig abgeschreckt und anschließend angelassen, um ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige Härte über den gesamten Wellenquerschnitt anstatt einer harten Randschicht über einem weichen Kern. Das Verfahren eignet sich für Schneckenwellen mit kleinem Durchmesser (unter 30 mm) und feinem Gewinde, bei denen eine Einsatzhärtung zu Rissen im dünnen Querschnitt führen würde.

Durchhärtung findet sich in den Spezifikationen von Schneckengetrieben hauptsächlich bei kompakten Spindelwellen mit einem Durchmesser unter 25 mm, da die Gewindespitzen zu dünn sind, um eine 0,8 mm dicke Einsatzhärtung ohne Rissbildung zu tragen. Die geringere Oberflächenhärte begrenzt die Lebensdauer; die Spezifikationen kompensieren dies üblicherweise durch reduzierte Betriebsdauer oder planmäßigen Austausch nach 15.000–20.000 Stunden, anstatt eine höhere Verschleißfestigkeit anzustreben.

Lesen von Härteangaben – HRC, HV, HB

Die Härteangaben in modernen Datenblättern von Schneckengetrieben verwenden üblicherweise eine der drei Messskalen Rockwell C (HRC), Vickers (HV) oder Brinell (HB). HRC ist in Korea, Japan und Europa die gängigste Angabe für Schneckenwellen; HV findet sich gelegentlich in europäischen Spezifikationen; HB ist auf älteren Typenschildern zu finden. Die folgende Umrechnungstabelle deckt den praktischen Bereich für gehärtete Schneckenwellen und Bronzeräder ab.

Beim Lesen einer Härteangabe sollten Sie drei Punkte beachten. Erstens die Skala: HRC 60 und HV 60 unterscheiden sich in der tatsächlichen Härte um eine Größenordnung. Zweitens die Messstelle: Oberflächen- und Kernhärte können beide an ein und demselben Schaft gemessen werden, und die Angabe bezieht sich üblicherweise auf die Oberfläche, sofern nicht anders angegeben. Drittens das Prüfverfahren: Rockwell-Prüfverfahren erfassen den Gewindescheitelpunkt und repräsentieren möglicherweise nicht das gesamte Gewindeprofil.

Ausfallarten aufgrund unzureichender Härtung

Vier Fehlerarten sind für nahezu alle Härtefehler an Schneckenwellen von Schneckengetrieben verantwortlich, die wir im Rahmen von Garantieprüfungen in koreanischen und asiatischen Anlagen zurückerhalten. Jede Fehlerart weist nach dem Öffnen des Gehäuses ein charakteristisches visuelles Merkmal auf und lässt sich auf eine spezifische Prozessabweichung zurückführen, die das Qualitätssicherungssystem des Herstellers erkennen sollte.

Qualitätsprüfung bei Wareneingang

Für Beschaffungsingenieure, die Lieferungen von Schneckengetrieben entgegennehmen, bei denen die Härtespezifikation von entscheidender Bedeutung ist (Hebeantriebe, Hilfseinrichtungen im Bergbau, Schiffsdeckmaschinen), bestätigt das unten beschriebene vierstufige Wareneingangsprüfverfahren die Härtequalität vor der Inbetriebnahme. Entdecken Sie unser breiteres Angebot. Katalog für Schneckengetriebe für Rahmen in Standardgrößen mit dokumentierter Härteprüfung über alle drei Wärmebehandlungsverfahren hinweg.

Häufig gestellte Fragen zur Härte von Schneckenwellen

Herausgeber: Cxm