Einsatzhärtetiefe Neuartiges Einsatzhärteverfahren verhindert frühzeitige Zahnradschäden

Autor / Redakteur: Dirk Keller / Stéphane Itasse

Die Einsatzhärtetiefe lässt sich am Bauteil zerstörungsfrei nur indirekt über eine Couponprobe erahnen. Dass diese nach Abschluss der Hartbearbeitung dem Belastungskollektiv standhalten kann, wird schlicht vorausgesetzt. Unberücksichtigt bleibt dabei, dass bereits vermeintlich „kleine“ Änderungen in der chemischen Zusammensetzung und Gefügestruktur des Materials darüber entscheiden, ob ein Zahnrad in der Praxis wärmebehandlungstechnisch geeignet ist.

(Bild: Keller)

Bei der einzustellenden oder geforderten Einsatzhärtetiefe am Fertigbauteil sind nebst der Normvorgabe mindestens auch die Bearbeitungs- und/oder Schleifzugaben zu berücksichtigen und hinzuzufügen. Tatsächlich verhält es sich nämlich so, dass die in der Wärmebehandlung eingestellte Einsatzhärtetiefe vom Zahnkopf zum Zahnfuß hin deutlich abnimmt. Wird das nicht berücksichtigt, sind in vielen Fällen frühzeitige Zahnradschäden wie Graufleckigkeit, Pittings, Risse und sogar Zahnausbrüche die Folge. Vor diesem Hintergrund hat die C. u. W. Keller GmbH & Co. KG bei kritischen Bauteilen und hohen Beanspruchungsfällen über die letzten 15 Jahre ein besonderes Verfahren entwickelt, bei dem das Zahnrad in der finalen Grünfertigung bewusst um einen bestimmten Faktor zu klein gefertigt wird.

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Getriebe und Zahnräder dienen zur Kraft- und Bewegungsübertragung. Dabei greifen die Zähne der entsprechenden Zahnräder formschlüssig ineinander ein (Bild 2). Hierbei werden die Zähne einer Fülle von Beanspruchungsarten ausgesetzt ( wie Flächenpressung oder Biegung). Insbesondere die komplexe Betrachtung von resultierender Flächenpressung, Reibung und Druckeigenspannungen im oberflächennahen Bereich profitiert hierbei von den Erkenntnissen aus der Hertz´schen Pressung (Bild 3).

Einsatzhärten lässt Zahnräder den Belastungen standhalten

Die heute wirtschaftlich und technisch optimale und am weitesten verbreitete Lösung dieser Beanspruchung standzuhalten, besteht in der Verwendung einsatzgehärteter Zahnräder. Einsatzstähle sind Baustähle mit geringem Ausgangs-Kohlenstoffgehalt, die an der Oberfläche aufgekohlt und anschließend gehärtet werden (Bild 4). Diese sind aufgrund ihres Verbundwerkstoffcharakters sowohl verschleißfest an der Oberfläche, als auch zäh im Werkstoffinneren. Eine besondere Rolle spielt dabei aber auch die enorm hohe Tragfähigkeit dieses Verbundwerkstoffes aufgrund der harten martensitischen Oberfläche. Das Einsatzhärten setzt sich aus zwei Verfahrensschritten zusammen, dem Aufkohlen (Kohlenstoff diffundiert in den Werkstoff hinein) und dem Härten (Abschrecken und Anlassen im Ölbad – Bild 4).

In der Getriebe- und Zahnradbranche wird die Herstellung qualitativ hochwertiger Zahnräder stillschweigend vorausgesetzt. Im Brennpunkt des Kundeninteresses stehen die rechnerisch optimale Auslegung und die Einhaltung geometrischer Anforderungen. Weniger Beachtung finden werkstofftechnische Anforderungen, obschon der eingesetzte Werkstoff – meist der Einsatzstahl 18CrNiMo7-6 – enormen Einfluss auf Erfolg oder Misserfolg ausübt. Vermeintlich kleine Änderungen in der chemischen Zusammensetzung und Gefügestruktur entscheiden darüber ob ein Zahnrad in der Praxis wärmebehandlungstechnisch geeignet und dem Belastungskollektiv standhalten kann. Geradezu sträflich vernachlässigt wird aber die Frage der am Zahnrad vorhandenen Einsatzhärtetiefe (oder CHD Case Hardening Depth), nach Abschluss der Hartbearbeitung.

Auch die gewünschte Einsatzhärtetiefe am Zahnrad wird schlicht und einfach vorausgesetzt. Dabei wird aber ausgeklammert, dass über 200 Einflussparameter bekannt sind, welche das Zustandekommen der Einsatzhärtetiefe beeinflussen und diesbezügliche Zahnradschäden eine sehr häufige Ausfallursache darstellen. Dies ist wohl der Tatsache geschuldet, die Einsatzhärtetiefe am Bauteil zerstörungsfrei lediglich indirekt über eine Couponprobe erahnen zu können. Die Konsequenz dessen ist in vielen Fällen frühzeitige Zahnradschäden wie Graufleckigkeit, Pittings, Risse und sogar Zahnausbrüche.

Wieviel Einsatzhärtetiefe hätten Sie denn gerne?

Je nach zugrundeliegender Auslegungsnorm (DIN, ISO, AGMA oder andere) muss eine entsprechende Einsatzhärtetiefe am fertig bearbeiteten Zahnrad, vorgesehen werden. Im Falle der AGMA, stehen belastungsabhängig zwei unterschiedliche Einsatzhärtetiefen zur Auswahl:

DIN/ISOEinsatzhärtetiefe = 0,15 x mn
Nieman*Einsatzhärtetiefe = 0,1 – 0,2 x mn
AGMA (normaler Einsatzfall)Einsatzhärtetiefe = 0,19 x mn0,86
AGMA (schwerer Einsatzfall)Einsatzhärtetiefe = 0,17 x mn1,12
*0,1 x mn im Fuss und 0,2 x mn an der Flanke

Bei der AGMA-Norm ist zu berücksichtigen, dass die AGMA den Einsatzhärtetiefe Wert bis zur Grenzhärte HV 513 berücksichtigt [1], die DIN/ISO demgegenüber schreibt eine minimale HV von 550 vor [2, 3, 4] bis zu welcher die Einsatzhärtetiefe berücksichtigt werden darf.

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