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.

Einsatzhärtungstiefe steigt durch Carbonitrieren

Im Vergleich zu Werkstücken, die bei gleichem Temperaturverlauf einsatzgehärtet wurden, haben carbonitrierte Teile aufgrund der gestiegenen Härtbarkeit eine höhere Einsatzhärtungstiefe [3]. Austenit, der durch das Carbonitrieren stabilisiert wird, ist im Vergleich zu Martensit relativ weich. Aus diesem Grund verringert sich die integrale Härte bei steigendem Restaustenitgehalt.

Bild 1: Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf die Aufhärtung am Beispiel des Stahls 18CrNi8 [4]. (Archiv: Vogel Business Media)

Schreckt man Stähle mit über 0,6% Kohlenstoffgehalt direkt von Aufkohlungs- auf Raumtemperatur ab, verbleibt aufgrund der ansteigenden Martensit-Finish-Temperatur ein entsprechender Restaustenitanteil im Gefüge erhalten. In [4] wird gezeigt, wie sich die verschiedenen Härteverfahren auf die Härte auswirken (Bild 1).

Austenit nach Abschrecken unter Zugspannung, Martensit unter Druckspannung

Aufgrund des Volumenunterschieds zwischen Martensit und Austenit steht der Restaustenit nach dem Abschrecken unter Zugspannung, der Martensit unter Druckspannung. Die Eigenspannungen in der Randschicht einsatzgehärteter und carbonitrierter Stähle sind daher maßgeblich vom Anteil und der Verteilung des entstandenen Martensits abhängig.

In [5] wird in einer Gegenüberstellung von Simulation und Messergebnissen an einsatzgehärteten Proben unterschiedlicher Aufkohlungstiefe gezeigt, dass der Übergang der Randeigenspannungen in den Zugbereich hauptsächlich vom zunehmenden Restaustenitanteil in der Oberfläche verursacht wird.

Restaustenitgehalt verzögert Rissausbreitung

Bild 2: Anrisslebensdauer in Abhängigkeit von der Oberflächeneigenspannung in der Kerbe, Belastung 11 kN, Kriterium für die Rissinitiierung: Risslänge in der Kerbe 5 µm [6]. (Archiv: Vogel Business Media)

Die Rissinitiierung und frühe Rissausbreitung in der Oberfläche einsatzgehärteter Stähle wird maßgeblich durch die lokale Festigkeit und den Eigenspannungszustand beeinflusst. Restaustenit hat eine niedrigere Härte als Martensit und reduziert die Druckeigenspannungen in der Randschicht. Ein steigender Restaustenitanteil in der Randschicht lässt deshalb eine Reduzierung der Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Stähle erwarten. Auf Basis von experimentellen Untersuchungen kommt man in [6] zu einem direkten Zusammenhang zwischen der Anrisslebensdauer und den Oberflächeneigenspannungen (Bild 2). Bei diesen Untersuchungen wurden keine Unterschiede zwischen aufgekohlten und carbonitrierten Proben gefunden. Die Rissausbreitung wurde nach [6] durch Carbide beschleunigt und durch den im Gefüge enthaltenen Restaustenit verzögert.

Bild 3: Einfluss des Restaustenitgehalts auf die Umlaufbiegefestigkeit carbonitrierter Proben [7]. (Archiv: Vogel Business Media)

Wird bei carbonitrierten Stählen der Restaustenitgehalt erhöht, nimmt die Dauerfestigkeit in der Umlaufbiegeprüfung zu (Bild 3) [7]. An einsatzgehärteten Stählen wurde dagegen mit steigendem Restaustenitanteil übereinstimmend ein deutlicher Abfall der Umlaufbiegefestigkeit [8 und 9] oder der Dauerschwellfestigkeit [10] festgestellt. Die Restaustenitanteile in den zitierten Untersuchungen wurden über den Randkohlenstoffgehalt oder die Wärmebehandlung variiert. In [8] wird der Unterschied hinsichtlich der Umlaufbiegefestigkeit zwischen carbonitrierten und einsatzgehärteten Stählen auf die unterschiedliche Erzeugung und Stabilisierung des Restaustenits aufgrund der Carbonitrierbehandlung zurückgeführt.

Dauerschwingfestigkeit sinkt bei Bauteilen mit randoxidierten Oberflächen

Bild 4: Einfluss der Zahnfußoberflächenhärte auf die Zahnfuß-Dauerfestigkeit [14]. (Archiv: Vogel Business Media)

Die Herabsetzung der Dauerschwingfestigkeit, die bei Bauteilen mit randoxidierten Oberflächen auftritt, wird in der Literatur oft der herabgesetzten Härtbarkeit durch das Abbinden der Legierungselemente und den dadurch auftretenden nichtmartensitischen Gefügebestandteilen angelastet [11 bis 13]. In [14] sind die Zahnfuß-Dauerfestigkeiten randoxidierter Zahnräder über den jeweils niedrigsten gemessenen Oberflächenhärtewerten aus Versuchen [15] aufgetragen. So erhält man einen direkten Zusammenhang zwischen der Oberflächenhärte und der Zahnfuß-Dauerfestigkeit (Bild 4).

In der gleichen Darstellung sind auch Ergebnisse für carbonitrierte Zahnräder zu sehen, bei denen die Ausgleichsgerade eine größere Steigung hat. Ein zusätzliches Eindiffundieren von Stickstoff bewirkt, dass die Härtbarkeit der Randschicht wieder angehoben und der Restaustenit stabilisiert wird.

Verlängerte Lebensdauer der Zahnflanken

In [16] wird eine erhebliche Steigerung der Grübchentragfähigkeit von Zahnrädern mit hohem Restaustenitgehalt im Randgefüge festgestellt. Bei einem Vergleich unterschiedlicher Gefüge, die während einer Aufkohlung auftreten können, wurden mit erhöhten Restaustenitanteilen die besten Ergebnisse erzielt. Als wesentliche Gründe für den positiven Einfluss des Restaustenits auf die Lebensdauer von Zahnflanken werden die Verfestigung des Restaustenits unter Belastung und der damit verbundene Abbau von Spannungsspitzen angesehen.

Bild 5: Einfluss des Restaustenitgehalts auf die Wälzlagerlebensdauer r/C, auch bei verschmutzten Schmierstoffen [17 und 18]. Bilder: IWT (Archiv: Vogel Business Media)

In [17] wird an Wälzlagern aus dem Werkstoff 100Cr6 gezeigt, dass erhöhte Restaustenitgehalte bei verschmutztem Schmierstoff und Wälzbeanspruchung lebensdauersteigernd sind (Bild 5). Der duktile Restaustenit wirkt dabei einer Belastungskonzentration entgegen und verlangsamt die Entstehung und die Fortpflanzung von Mikrorissen unter Umwandlung in Martensit.

Gefügeanteil von Restaustenit und globularen Carbiden wichtig

Besondere Bedeutung wird in der zitierten Veröffentlichung dem richtigen Verhältnis der Gefügeanteile von Restaustenit und globularen Carbiden zugeordnet. Ein Grund dafür ist, dass eine Mindestoberflächenhärte bei Wälzbeanspruchung nicht unterschritten werden darf.

Hochbeanspruchte Zahnräder werden in der Regel einsatzgehärtet. Ziel ist dabei die Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche und eines zähen Kerns, um die sich widersprechenden Anforderungen einer hohen Zahnfußdauerfestigkeit und einer hohen Flankentragfähigkeit zu erfüllen. In verschiedenen Untersuchungen zu Eigenschaften carbonitrierter Stähle im Vergleich zu einsatzgehärteten Stählen wird eine Steigerung der Dauerfestigkeit sowohl unter biegender als auch unter Wälzbeanspruchung gefunden.

Aus diesem Grund verspricht eine optimierte Carbonitrierung von Zahnrädern eine weitere Verbesserung der Gebrauchseigenschaften. Die Auswirkungen unterschiedlicher Verfahren der Carbonitrierbehandlung auf die Zahnfußdauerfestigkeit und die Zahnfußtragfähigkeit werden derzeit in einem laufenden Forschungsvorhaben in der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. untersucht [19].

Literatur

[1] Börnecke, K., W. Käser und H. Rösch: Grundlagenversuche zur Ermittlung der richtigen Härtetiefe bei Wälz- und Biegebeanspruchung. In: FVA-Forschungsheft Nr. 36, Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. 1976.

[2] Tobie, T.: Einfluss der Einsatzhärtetiefe auf die Grübchen- und Zahnfußtragfähigkeit großer Zahnräder. FVA-Forschungsheft Nr. 622, Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. 2001.

[3] Meinhard, E.: Carbonitrieren – warum und wie? TZ für Metallbearbeitung 1982/10, S. 23–32.

[4] Bungardt, K., E. Kunze, E. und H. Brandis: Betrachtungen zur Direkthärtung von Einsatzstählen. DEW-Technische Berichte 1965/1, S. 1–12.

[5] Hoferer, M., H. Müller und E. Macherauch: Einfluss des Kohlenstoffprofils bei Eisenwerkstoffen auf die Spannungs- und Eigenspannungsausbildung beim Härten. Härterei-Techn. Mitt. 1996/2, S. 80–87.

[6] Gu, C., B. Lou, X. Jing und F. Shen: Mechanical Properties of Carburised Cr-Ni-Mo Steels with Added Nitrogen. J. Heat Treat., 1989/2, S. 87–94. Zitiert in [14].

[7] Prenosil, B.: Mechanische Eigenschaften karbonitrierter Stähle. Härterei-Techn. Mitt. 1966/4, S. 271–285.

[8] Razim, C.: Über den Einfluss von Restaustenit auf das Festigkeitsverhalten einsatzgehärteter Probekörper bei schwingender Beanspruchung. Härterei-Techn. Mitt. 1968/1, S. 1–9.

[9] Beumelburg, W.: Das Verhalten von einsatzgehärteten Proben mit verschiedenen Oberflächenzuständen und Randkohlenstoffgehalten im Umlaufbiege-, statischen Biege- und Schlagbiegeversuch. Dissertation Universität Karlsruhe 1974.

[10] Brugger, H.: Werkstoff und Wärmebehandlungseinflüsse auf die Zahnfußtragfähigkeit. VDI-Berichte 1973/195, S. 135–144.

[11] Bierwirth, G.: Diskussionsbeitrag zum Vortrag S. Gunnarson. Härterei-Techn. Mitt. 1963/1, S. 9–10.

[12] Kozlovskii, I. S., A. T. Kalinin, A. Y. Novikaya, E. A. Lebedeva und A. I. Feofanova: Internal oxidation during case hardening of steels in endothermic atmospheres. Metal. Sci. Heat Treatment 1967/3-4, S. 157–161.

[13] Priegnitz, H., und J. Wyszkowski: Einfluss der Korngröße des ehemaligen Austenitkorns und der Randoxidation auf einige Eigenschaften von einsatzgehärteten CrMn- und Cr-Stählen. Härterei-Techn. Mitt. 1970/2, S. 85–92.

[14] Parrish, G.: Carburising – Microstructure and Properties. OH 44073-0002. ASM International, Materials Park. ISBN: 0-87170-666-0 (1999).

[15] Arkhipov, I. Y., und V. A. Kanunnikova: Residual Stresses in the Teeth of Quenched Gears. Met. Sci. Heat Treat. (USSR), 1970/11, S. 909–913.

[16] Razim, C.: Einfluss des Randgefüges einsatzgehärteter Zahnräder auf die Neigung zur Grübchenbildung. Härterei-Techn. Mitt. 1967/4, S. 317–329.

[17] Günther, D., F. Hoffmann und P. Mayr: Steigerung der Gebrauchsdauer von wälzbeanspruchten Bauteilen unter verschmutztem Schmierstoff. HTM 2004/2, S. 98–112.

[18] US-Patent: No. 5, 137, 375. Patentinhaber: Nippon Seiko K. K., Tokio JP, 11. August 1992.

[19] Steinbacher, M., und S. Lombardo: Carbonitrieren von verzahnten Getriebebauteilen. Laufendes Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (AVIF A235). Laufzeit bis 30. Juni 2009.

Prof. Dr.-Ing. Franz Hoffmann ist Leiter der Abteilung Wärmebehandlung im IWT Stiftung Institut für Werkstofftechnik in 28359 Bremen; Dr.-Ing. Brigitte Clausen und Dipl.-Ing. Matthias Steinbacher sind wissenschaftliche Mitarbeiter der Abteilung.

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