A162

Produktsicherheit nitrierter Zahnräder

(A162 S 24/37/2000)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2001 - 30. November 2004

Nitrierte Zahnräder können hohe Festigkeitswerte erreichen. Dennoch kommt es immer wieder zu nicht erwarteten Ausfällen. Als eine der maßgeblichen Ursachen für die Ausfälle kommt der Aufbau der nitrierten Randschicht in Frage.

Insbesondere sind in Abhängigkeit vom Werkstoff und den Nitrierbedingungen innerhalb der Diffusionszone parallel zur Oberfläche auftretende Korngrenzenbelegungen von Bedeutung, die als innere Kerben wirken können und so die ertragbaren Beanspruchungen - insbesondere bei Überlasten - herabsetzen.

In dem Projekt wurde in einem ersten Abschnitt untersucht, wie diese Ausscheidungsvorgänge, die während der Nitrierung ablaufen, gezielt beeinflusst werden können, welchen Einfluss sie auf das Verhalten unter mechanischer Belastung haben und ob sie durch geeignete wärmebehandlungstechnische Maßnahmen oder eine Einengung der Werkstoffzusammensetzung minimiert oder vermieden werden können. Als wesentlich für die Beeinflussung ergaben sich die Werkstoffzusammensetzung (Anteil an carbidbildenden Elementen), der Ausgangszustand des Werkstoffs und Nitrierbedingungen.

Im zweiten Projektabschnitt wurde der Einfluss der Nitrierschicht auf die Tragfähigkeit nitrierter Zahnräder untersucht.

Die Zahnfußdauerfestigkeit für vergütete bzw. nitrierte Nitrierstähle nach DIN 3990 wurde für alle Prüfvarianten erreicht bzw. überschritten. An den Prüfrädern mit hoher Nitrierkennzahl (hoher Anteil an Korngrenzkarbiden) traten jedoch mehrmals Zahnfußbrüche mit einem Rissausgang unter der Bauteiloberfläche auf, während bei den Varianten mit niedriger Nitrierkennzahl bei geringerer Streuung derartige Schadensbilder nicht festgestellt werden konnten. Eine Überlastbarkeit ist bei allen Prüfvariante praktisch nicht gegeben.

Die Flankentragfähigkeit der Prüfräder erreicht nicht die Festigkeitswerte nach DIN 3990. Graufleckigkeit ist die maßgebende Schadensform. Werden die Prüfräder nach dem Nitrieren erneut geschliffen, wird die Graufleckigkeit reduziert und die Tragfähigkeit gesteigert. Zusätzliches Gleitschleifen führt zu einer Vermeidung der Graufleckigkeit. Die Flankentragfähigkeit kann bei starken Streuungen weiter gesteigert werden. Zum Teil ist ein Versagen der Zahnflanken unter der Bauteiloberfläche schadensrelevant. Zu Beachten ist der Einfluss der Nitrierbehandlung auf die Verzahnungsqualität.

In einer theoretischen Studie wurden Beanspruchungs- und Festigkeitszustand unter Berücksichtigung von Härte und Eigenspannungen örtlich über der Werkstofftiefe betrachtet. Die Versuchsergebnisse finden in den theoretischen Betrachtungen eine gute Bestätigung.

Die Produktsicherheit nitrierter Zahnräder kann mit den Erkenntnissen dieses Vorhabens gesteigert werden. Dass eine Überlastung nitrierter Zahnräder auch mit geringer Lastüberhöhung und wenigen Lastwechseln zum Schaden führen kann, ist demnach in der Festlegung der erforderlichen Mindestsicherheit zu berücksichtigen. In Bezug auf die Flankentragfähigkeit muss sichergestellt werden, dass die Flankenoberfläche tragfähig ist. Dies ist unter Umständen mit einer Schleifbearbeitung und eventuell auch mit zusätzlichem Gleitschleifen zu gewährleisten. Aufgrund des steilen Festigkeitsgradienten nitrierter Zahnräder ist bei der Vorwärmebehandlung die Kernhärte in geeigneter Höhe einzustellen. bzw. die Naht ist im Rahmen des Machbaren der Baugröße anzupassen.

Die Forschungsergebnisse können direkt in den Produktionsprozess von nitrierten Zahnrädern einfließen.

Forschungsstelle 1:
Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT)
www.iwt-bremen.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing habil P. Mayr /Prof. Dr.-Ing. Zoch
 
Forschungsstelle 2:
Lehrstuhl für Maschinenelemente Forschungungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG), Lehrstuhl für Maschinenelemente der TU München
www.fzg.mw.tum.de
 
Forschungsleiter 2:
Prof. Dr.-Ing. Höhn
 
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