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A235

Carbonitrieren von verzahnten Getriebebauteilen

(A235 S 24/10115/2006)

 

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Juli 2006 - 30. April 2010

 

Zahnräder mit hoher Leistungsanforderung werden in der Regel einsatzgehärtet. Die Gefügeausbildung und -eigenschaften der aufgekohlten und anschließend gehärteten Randschicht bestimmen dabei maßgebend die erreichbare Zahnradtragfähigkeit.


Eine Alternative zum Einsatzhärten stellt das Carbonitrieren dar. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Erkenntnisse aktueller Forschungsarbeiten zum Carbonitrieren von Wälzlagern auf den Bereich Zahnräder zu übertragen und damit eine deutliche Verbesserung der Tragfähigkeitseigenschaften und der Lebensdauer hochbeanspruchter Zahnräder zu erzielen. 


Dabei sind die Wärmebehandlungsparameter so zu optimieren, dass dem Anwender ein leistungsfähiges Verfahren zum Carbonitrieren von Zahnrädern, welches auch für größere Behandlungstiefen bis zu einer Einsatzhärtungstiefe von 1 mm sicher beherrschbar ist, zur Verfügung steht.


Daraus wurden folgende Entwicklungsziele abgeleitet:

·         Weiterentwicklung des Wärmebehandlungsverfahrens Carbonitrieren zur Anwendbarkeit auf Zahnräder und Wellen bis in den Baugrößenbereich der Serienfertigung durch Übertragung des bisherigen Wissens auf im Getriebebau übliche Einsatzstähle;

·         Einstellung entsprechender Carbonitrierparameter, um die gewünschten Randschichteigenschaften auch über die geforderte, größere Werkstofftiefe zu erreichen;

·         Optimierung der Carbonitrierparameter zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und gezielten Steigerung der Zahnradtragfähigkeit;

·         Ermittlung und Nachweis der Leistungsfähigkeit optimiert carbonitrierter Zahnräder unter Berücksichtigung unterschiedlicher, maßgebender Zahnrad-Schadensarten, insbesondere unter dem Blickwinkel einer möglichen Steigerung der Zahnradtragfähigkeit gegenüber einsatzgehärteten Zahnrädern.

Zusammenfassend sind folgende Ergebnisse bei den carbonitrierten Zahnrädern zu erkennen:


Carbonitrierte Zahnräder weisen eine in etwa vergleichbare Zahnfußtragfähigkeit wie einsatzgehärtete Zahnräder nach gleicher Strahlbehandlung auf, wenn eine gleichmäßige Beschaffenheit des Randgefüges, d.h. eine gleichmäßige Verteilung des Restaustenitgehaltes in der Randschicht, gewährleistet ist. 

·         Carbonitrierte Zahnräder zeigen einen deutlichen Gewinn in der Grübchentragfähigkeit gegenüber einsatzgehärteten Varianten, wobei der Tragfähigkeitsgewinn gegenüber Einsatzhärten abhängig vom Werkstoff ist (am stärksten bei 18CrNiMo7-6, danach 20MoCr4 und 20MnCr5).

·         Die bisher maximale untersuchte Einsatzhärtungstiefe entspricht CHD550 ≈ 1 mm. Dies ist die optimale Einsatzhärtungstiefe für Bauteile mit einer Baugröße mn ≤ 5 mm.

·         Um die belegten Festigkeitswerte (Zahnfuß- bzw. Zahnflankentragfähigkeit) zu erreichen, muss ein maximaler Restaustenitgehalt von ca. 60…70 Gew.-% in der Randschicht carbonitrierter Zahnräder eingestellt werden. Hierbei wird der Restaustenit durch die fein verteilten Carbonitride gegen mechanische Belastungen stabilisiert.

·         Trotz höherer Grauflecken- bzw. Verschleißtragfähigkeit bei carbonitrierten gegenüber einsatzgehärteten Zahnrädern wurde im Grauflecken- sowie im Verschleißtest eine relativ starke Profilformabweichung infolge des vorzeitigen Eingriffs bei den carbonitrierten Varianten festgestellt. Eine angepasste Profilkorrektur wird daher für den Betrieb empfohlen, um das Potenzial carbonitrierter Zahnräder vollständig ausnutzen zu können. 

·         Aufgrund des hohen Restaustenitgehaltes in der Randschicht sind carbonitrierte im Vergleich zu herkömmlich einsatzgehärteten Zahnrädern empfindlicher gegen Fressen. Daher ist auf eine entsprechende Schmierstoffauswahl beim Einsatz carbonitrierter Zahnräder zu achten.

Die Ziele des Projektes wurden erreicht. Hiermit stehen dem Wärmebehandler vielfältige Informationen zur Optimierung des Carbonitrierens zur Verfügung. Weiterhin kann der Getriebekonstrukteur dank der neuen Erkenntnisse zur Fuß- und Flankentragfähigkeit carbonitrierter Zahnräder neue Getriebekonzepte mit höherer Belastbarkeit bzw. Leistungsfähigkeit bis zu Baugrößen von mn=5mm entwickeln und auslegen.

 

Forschungsstelle1:      
Lehrstuhl für Maschinenelemente Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG), Garching
www.fzg.mw.tum.de

Forschungsleiter1:
Prof. Dr.-Ing. B.-R. Höhn                                              

Forschungsstelle2:
Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Bremen
www.iwt-bremen.de

Forschungsleiter2:                         

Prof. Dr.-Ing. H.-W. Zoch

 

(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V., VDMA für FVA, Frankfurt)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF

01.09.2011