Werkstoffe Harter Widerstand

Optimierung einer im Stranggießverfahren hergestellten Bronze erhöht die Tragfähigkeit von Schneckengetrieben

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Optimierung einer im Stranggießverfahren hergestellten Bronze erhöht die Tragfähigkeit von SchneckengetriebenBei Schneckengetrieben begrenzt meist das aus Bronze gefertigte Schneckenrad die Getriebelebensdauer. Eine besondere, durch Stranggießen gefertigte Schneckenradbronze, die von Fitscher Guss, Oberhausen, unter dem Kürzel GcB (Guss – continuierlich – Best) am Markt eingeführt wurde, kann Abhilfe leisten. Fitscher Guss ist der einzige Hersteller dieser Bronze für Schneckenräder.

Eine wichtige Marktstellung in der Antriebstechnik nehmen zunehmend Schneckengetriebe ein. Vor allem die strengen Lärmschutzauflagen führen zu einer wachsenden Verbreitung dieser geräuscharmen Getriebeart. Die Geräuscharmut resultiert aus dem hohen Gleitanteil der Gleitwälzbewegung. Große Gleitgeschwindigkeiten mit relativ hohen Flankenpressungen setzen einlauffähige Werkstoffpaarungen voraus. Daher werden Hart/Weich-Partner als Werkstoffpaarungen verwendet.

Üblicherweise besteht die Schnecke aus einsatzgehärtetem Stahl und das Schneckenrad aus einer Kupfer-Zinn-Legierung, also aus Bronze. Das Ergebnis dieser Werkstoffwahl ist ein Verschleiß am Schneckenrad, der die Lebensdauer des Getriebes begrenzt.

Ein Ersatz des Schneckenradwerkstoffs Bronze durch Stahl oder Grauguss führt allerdings nur in Teilbereichen zum Erfolg. Das zeigen Forschungsergebnisse: Sie machen deutlich, dass auf die ausgeglichenen Eigenschaften und das breite Einsatzspektrum der Bronze nicht verzichtet werden kann.Ziel einer möglichen Bronzeoptimierung muss die Erhöhung der Verschleißlebensdauer bei gleichzeitiger Beibehaltung der spezifischen positiven Werkstoffeigenschaften sein.

Dies wäre ein Beitrag zur Schonung von Werkstoffressourcen, aber auch für eine erhöhte Lebensdauer der Schneckengetriebe und somit für eine wirtschaftlichere Anwendung des Bronze-WerkstoffsFür die Ermittlung mechanischer Kennwerte wurden Proben aus der Kupfer-Zinn-Legierung CuSn12Ni durch konventionelles Stranggießen (Gc) hergestellt.

Die Bronze entspricht den Anforderungen der DIN 1705 beziehungsweise der Vorschrift CC 484 K nach DIN EN 1982. Sie ist der gebräuchliche Werkstoff für Schneckenräder mit bis zu 150 mm Außendurchmesser. Bei dieser Bronze handelt es sich um eine Legierung mit 84,5 bis 87,5% Massenanteil Kupfer (Cu), 11 bis 13% Massenanteil Zinn (Sn) sowie 1,5 bis 2,5% Massenanteil Nickel (Ni). Die Grundlagen für die Herstellung der Proben zur Ermittlung der Zugfestigkeit sind in DIN 50125 vermerkt. Der Zugversuch wird in DIN EN 10002, Teil 1, beschrieben.

Die Ergebnisse für die Bronze CuSn12Ni nach DIN 1705, die durch konventionelles Stranggießen hergestellt wird, sind in der Tabelle vermerkt.Der Gefügeaufbau dieser Legierung ist heterogen und besteht aus a-Substitutionskristallen und an den Korngrenzen der Kristalle eingelagerten d-Phasen. Diese Legierung weist ein breites Erstarrungsintervall auf. Daher kommt es beim Erstarren zu erheblichen Kristallseigerungen, was zur Folge hat, dass die Zinnanteile in den einzelnen a-Substitutionskristallen unterschiedlich sind.

Diese Tatsache erklärt die unterschiedliche Färbung der a-Substitutionskristalle nach dem Ätzen des Mikro-Schliffes. So hat ein zinnreiches a-Substitutionskristall eine helle Färbung. Bei einem zinnarmen a-Substitutionskristall ist die Färbung dunkel. Die Korngrößen des in Bild 1a dargestellten Gefüges liegen bei 300 bis 350 mm. Kennzeichnend für die typische Gefügeform einer im konventionellen Stranggieß-Verfahren hergestellten CuSn12Ni-Legierung sind a-Substitutionskristalle, die dendritisch ausgebildet und in Vorzugsrichtung angeordnet sind - mit eingelagerten d-Phasen.

Experimentelle Untersuchungen an Zylinderschneckengetrieben mit Achsabständen a von 100 mm und einer Übersetzung i von 20,5 haben den Einfluss von Werkstoffparametern auf das Verschleißverhalten der Schneckenradbronze geklärt. Wegen der Vielfalt der Untersuchungsergebnisse sind auf zwei entscheidende, auf das Herstellungsverfahren Stranggießen bezogene Ergebnisse hinzuweisen: auf die Werkstoffparameter Korngröße und Nickelgehalt.

Sie üben einen entscheidenden Einfluss auf das Verschleißverhalten der durch Stranggießen hergestellten Schneckenradbronze aus. Der Werkstoff zeigt oft ein sehr schlechtes Verschleißverhalten, wofür die in Bild 1a ersichtliche Gefügeausbildung verantwortlich ist. Sie deckt sich nicht mit einer im Schleuderguss erzeugten Schneckenradbronze (Bild 1b).Proben aus der Kupfer-Zinn-Legierung CuSn12Ni wurden auch im Schleuderguss (Gz) hergestellt - mit denselben Legierungsanteilen wie beim Stranggießen.

Die Herstellung der Zugproben sowie die Ermittlung der mechanischen Kennwerte erfolgte nach denselben Vorgaben. Durch das Schleudergießen kam es zu einem Gefügeaufbau wie beim konventionellen Stranggießen (Gc). Anders sieht es bei der Gefügeausbildung aus: Das Gefüge einer im Schleuderguss gefertigten Probe aus CuSn12Ni-Legierung enthält gleichmäßig ausgebildete a-Substitutionskristalle mit an den Korngrenzen eingelagerter d-Phase.

Die Korngrößen des in Bild 1b dargestellten Gefüges liegen bei 100 bis 120 mm.Weil die Herstellung von Schneckenrädern aus Bronze für Achsabstände a unter 100 mm im Schleuderguss nicht wirtschaftlich ist, muss die Aufgabe einer Werkstoffoptimierung Folgendes sein: das Erzeugen einer schleudergussähnlichen Gefügeform durch Variation der bei der Herstellung von Schneckenradbronzen im Stranggießverfahren benötigten Gießparametern wie Gießtemperatur, Abziehgeschwindigkeit und Kühlintensität - mit dem Ziel, die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.So wurde bei Fitscher Guss das konventionelle Stranggießen (Gc) weiterentwickelt.

Das Ergebnis ist ein Verfahren (GcB), das für kleinere Schneckenräder angewandt wird. Damit hergestellte Zugproben aus CuSn12Ni entsprachen denselben Vorgaben wie beim konventionellen Stranggießen und Schleuderguss. Der Zugversuch lief wie bei den anderen Proben ab, jedoch führte er zu besseren Kennwerten.Der Gefügeaufbau dieser optimierten Schneckenradbronze verläuft genauso wie beim konventionellen Strang- und Schleuderguss.

Die Gefügeform setzt sich wie beim Schleudergießen gleichmäßig aus a-Substitutionskristallen zusammen mit an den Korngrenzen eingelagerten d-Phasen (Bild 1c). Die Kristalle sind allerdings kleiner, wodurch man ein feineres Gefüge erreicht. Die Korngrößen des in Bild 1c gezeigten Gefüges liegen bei 60 bis 100 mm. Diese optimierte Schneckenradbronze verbindet das verschleißfeste Werkstoffgefüge eines im Schleudergießverfahren gefertigten Bauteils mit der Anwendung des Stranggießverfahrens, deren höhere Wirtschaftlichkeit sich mit den geringeren Bearbeitungszugaben begründen lässt.

Allerdings weicht die Zusammensetzung der Legierung von denen der beim konventionellen Strang- und Schleudergießen eingesetzten Werkstoffe ein wenig ab. So liegt der Massenanteil von Nickel bei mindestens 2%. In der Norm ist der Nickelgehalt dagegen mit mindestens 1,5% vermerkt. Wichtig bleiben jedoch die damit erzielten Resultate. Ergebnis: Die Erhöhung der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit Rp0,2 und Bruchdehnung A5) um 15% sind ein Ergebnis der aus Bild 1c ersichtlichen Gefügeform. Diese Erhöhung der mechanischen Eigenschaften in Gemeinschaft mit der optimierten Gefügeform ermöglicht, wie Bild 2 offenbart, eine fünffach höhere Verschleißlebensdauer des Schneckenrads.