Einsatzhärtetiefe

Neuartiges Einsatzhärteverfahren verhindert frühzeitige Zahnradschäden

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Und welche Einsatzhärtetiefe ist in der Praxis zu erwarten?

Bei der einzustellenden oder geforderten Einsatzhärtetiefe am Fertigbauteil sind nebst der Normvorgaben mindestens auch die Bearbeitungs- und/oder Schleifzugaben zu berücksichtigen und der Normvorgabe hinzuzufügen. Allerdings werden hierbei typische werkstofftechnische Verhaltensmuster infolge der Wärmebehandlung noch nicht berücksichtigt, welche äußerst problematisch sein können: Nämlich der Verzug und in der Regel das Wachstum [5] von Bauteilen nach erfolgter Wärmebehandlung, aber auch die Tatsache unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeiten vom Zahnkopf hin zum -fuß [6]. Diese physikalisch bedingten und nicht zu eliminierenden Phänomene können dazu führen, dass die Einsatzhärtetiefe in der Fertigbearbeitung im schlimmsten aller Fälle vollkommen eliminiert wird. Dieses Problem kommt aber womöglich erst dann zum Vorschein, wenn die Garantie für das Getriebe oder Zahnrad bereits abgelaufen ist.

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Vor diesem Hintergrund stellt die Firma Keller die Frage, wo hätten Sie denn gerne welche Einsatzhärtetiefe? In dem Moment kann es schon mal vorkommen für unprofessionell gehalten zu werden. Aber die Frage muss aus physikalischen und werkstofftechnischen Überlegungen erlaubt sein. Dabei hilft heute leider auch keine der oben angesprochenen Normen wirklich weiter.

Physikalisch bedingter und unvermeidbarer Einsatzhärtetiefe-Abfall von Zahnkopf bis Zahnfuß

In der Tat verhält es sich so, dass die in der Wärmebehandlung eingestellte Einsatzhärtetiefe von Zahnkopf bis Zahnfuß deutlich abnimmt [6]. Dieses Phänomen lässt sich aus physikalischen Gründen auch nicht vermeiden. Die Abkühlgeschwindigkeit am Kopf des Zahns ist selbst bei optimalen Prozessbedingungen in der Wärmebehandlung eine deutlich andere wie im Zahnfuß. Vor allem bei großen und massehaltigen Bauteilen kühlt der Fuß aufgrund nachfließender Wärme aus dem Bauteilinneren deutlich langsamer ab als der Zahnkopf. Daher lässt sich im ZTU-Schaubild (Bild 6) leicht erkennen, dass auch die sich einstellenden Gefüge von Kopf hin zum Fuß stark unterscheiden müssen.

Der Getriebe- oder Zahnradhersteller muss dies bei der Wahl oder Vorgabe der Einsatzhärtetiefe an den Wärmebehandler berücksichtigen. 10 bis 30 % Einsatzhärtetiefe-Abfall von Kopf hin zum Fuß beim 18CrNiMo7-6 ist keine Seltenheit, selbst bei optimaler Wärmebehandlung. Wird die so genannte Dampfhautphase in der Abschreckphase zu langsam durchlaufen sind sogar höhere Abfälle zu erwarten. Im Falle des 16MnCr5 können es sogar weit mehr als 50 % Abfall sein (Bild 7), wie Untersuchungen bei der Firma Keller ergeben haben. Nicht unerwähnt lassen dürfen auch problematische Chargierungen beim Wärmebehandler, welche lokale Einsatzhärtetiefe-Unterschiede nach sich ziehen können.

Einfluss von Verzug und Wachstum

Hiermit ist aber noch nicht genug getan. Der bei der Wärmebehandlung unumgängliche Verzug und das Wachstum der Verzahnungsteile (Bild 8) hat bei Außenverzahnungen den Nachteil, dass unter Umständen deutlich mehr als die vorgesehene Bearbeitungszugabe weggeschliffen wird. Mögliche Bearbeitungskerben im Zahnfuß und eine deutlich zu geringe Einsatzhärtetiefe können die Folge sein. Der frühzeitige Ausfall des Zahnrads ist damit vorprogrammiert. Eine dies berücksichtigende Erhöhung der Einsatzhärtetiefe-Vorgabe an den Wärmebehandler ist zu kostspielig und manchmal wegen Durchhärtungsrisiken am Zahnkopf nicht praktikabel.

Abhilfe können zum Beispiel verzugsmindernde Werkstoffeigenschaften [8] leisten, aber auch entsprechende Vorkehrungen auf der Wärmebehandlungsseite, wie ein vorgeschaltetes Vergüten [4]. Aber auch diese Maßnahmen sind unter Umständen nicht ausreichend, um eine den Berechnungsgrundlagen entsprechende und ausreichende Einsatzhärtetiefe am Fertigteil zu gewährleisten. Es ist nicht unüblich, dass ein Zahnrad mit einem Durchmesser von 1,5 m in der Einsatzhärtung um bis zu 4 mm im Durchmesser wächst. Dieses Wachstum impliziert auf der Zahnflanke einen zusätzlich wegzuschleifenden Betrag in Höhe von 0,66 mm. Bandagen von 2 m Durchmesser wachsen auch schon mal bis zu 10 mm. Bei einem Modul von 20 mm und einer entsprechenden Einsatzhärtetiefe von circa 3 mm sind dann 1,66 mm an Einsatzhärtetiefe zusätzlich weg. In Kombination mit dem unvermeidbaren Einsatzhärtetiefe-Abfall kann dies frühzeitig versagensbestimmend sein.

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