Wärmebehandlung Carbonitrieren verbessert Eigenschaften von Zahnrädern

Autor / Redakteur: Franz Hoffmann, Brigitte Clausen und Matthias Steinbacher / Josef-Martin Kraus

Eine optimierte Carbonitrierung von Zahnrädern verspricht eine weitere Verbesserung der Gebrauchseigenschaften im Vergleich zum Einsatzhärten. Basis dafür sind Vergleiche zwischen carbonitrierten und einsatzgehärteten Stählen. Die Ergebnisse zeigten eine Steigerung der Dauerfestigkeit unter Wälz- und Biegebeanspruchung. Der Einfluss verschiedener Carbonitrierverfahren auf die Zahnfußdauerfestigkeit und -tragfähigkeit wird derzeit untersucht.

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Carbonitrierte Stähle enthalten einen relativ hohen Restaustenitgehalt, der bei Zahnrädern eine höhere Tragfähigkeit der Randschichten verspricht. Bild: IWT
Carbonitrierte Stähle enthalten einen relativ hohen Restaustenitgehalt, der bei Zahnrädern eine höhere Tragfähigkeit der Randschichten verspricht. Bild: IWT
( Archiv: Vogel Business Media )

Durch Einsatzhärten eines Stahles wird dessen Oberfläche gehärtet, während der Kern bei einem sanften Übergang von hoher Randhärte zu geringer Kernhärte zäh bleibt. Das entstehende Härteprofil kann dabei dem Beanspruchungsprofil angepasst werden.

Das ist zum Beispiel bei einer schwingenden oder verschleißenden Beanspruchung von funktionellem Vorteil. Die funktionelle Anpassbarkeit des Härteprofils beruht auf einem Kohlenstoffgradienten, der in einem Randschicht-Wärmebehandlungsverfahren in kohlenstoffhaltiger Atmosphäre erzeugt wird.

Zur Anwendung kommt das Einsatzhärten bei einem Großteil hoch beanspruchter Getriebebauteile. Insbesondere für Zahnräder bietet sich dieses Verfahren an, weil im Gegensatz zu nicht durchgreifenden Wärmebehandlungsverfahren auch die Eigenschaften des Kerns positiv beeinflusst werden. Im Vergleich zum Vergüten kann die Einhärtungstiefe – in diesem Fall die Einsatzhärtungstiefe – gezielter eingestellt werden. Sie hat einen erheblichen Einfluss auf die Zahnfußdauerfestigkeit [1 und 2].

Erhöhung des Stickstoffgehalts kann positiv oder negativ sein

Vom Einsatzhärten zum Carbonitrieren ergibt sich verfahrenstechnisch ein fließender Übergang. Er erfolgt durch Zugabe von stickstoffabgebenden Medien in das aufkohlende Medium. Beim Einsatzhärten in cyanidhaltigen Salzbädern ist dieser Effekt nicht zu vermeiden, weil durch den Cyanidzerfall erhebliche Mengen Stickstoff freigesetzt werden. Je nach Anwendungsfall kann sich eine Erhöhung des Stickstoffgehalts in der Oberfläche als positiv oder negativ erweisen:

  • Stickstoff steigert die Härtbarkeit der Randschicht.
  • Stickstoff stabilisiert den Restaustenit. Das heißt: Der Restaustenitgehalt in der Randschicht nimmt mit steigendem Stickstoffgehalt zu.
  • Stickstoff erhöht die Verschleißfestigkeit.

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