Einsatzhärtetiefe

Neuartiges Einsatzhärteverfahren verhindert frühzeitige Zahnradschäden

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Die phänomenologische Entschlüsselung des Wachstumsverhaltens

Insbesondere in der Einzelteil- oder Sondergetriebeherstellung kann man nur unzureichend auf Verzugswerte oder Wachstumserfahrungswerte zurückgreifen, da die meist geschmiedeten Vormaterialien eine unterschiedliche Historie mit unterschiedlichen Eigenschaften bei der Wärmebehandlung aufweisen. Vor diesem Hintergrund hat die Firma Keller bei kritischen Bauteilen und hohen Beanspruchungsfällen über die letzten 15 Jahre eine besondere Verfahrweise entwickelt. Der eigentlichen Wärmebehandlung wird eine besondere Wärmebehandlung vorgeschaltet, welche vor allem zum Ziel hat festzustellen, wie sich das Material in der letzten Wärmebehandlung, sprich dem Einsatzhärten, verhalten wird.

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Die hieraus gewonnene Erkenntnis wird bei der finalen Grünfertigung des Zahnrades und vor der endgültigen Wärmebehandlung berücksichtigt. Sprich, das Zahnrad wird in der finalen Grünfertigung in der Regel um diesen Wert und einen aus der Erfahrung stammenden Korrekturfaktor zu klein gefertigt, zumal das Bauteil in der Einsatzhärtung in das erforderliche Maß hineinwachsen wird. Dieser Erfahrung liegen unzählige Versuche an Bauteilen und Datensammlungen zugrunde. Diese Vorgehensweise ist aufwendig und erhöht die Durchlaufzeit um circa 1 Woche, ist aber qualitätsentscheidend. Letzteres gewinnt deutlich an Bedeutung wenn man berücksichtigt, die Einsatzhärtetiefe am Bauteil zerstörungsfrei nach wie vor nicht nachweisen können.

Einfluss des eingesetzten Werkstoffes

Wie bereits erwähnt findet vor allem der 18CrNiMo7-6 Anwendung im modernen Getriebebau. Bei der Beschaffung müssen v.a. der Herstellung, dem Gefüge, der Wärmebehandlung, der chemischen Zusammensetzung und der Härtbarkeit Beachtung geschenkt werden. Alternativen zu diesem Werkstoff existieren im modernen Getriebebau nicht wirklich. Ein 16MnCr5 oder 20MnCr5, aber auch ein gerne verwendeter 18NiCrMo5 stellen keine wirkliche Alternative bei großen Zahnrädern oder kritischen Einsatzfällen dar, zumal die Härtbarkeit deutlich eingeschränkt und der Einsatzhärtetiefe-Abfall von Kopf hin zum Fuß signifikant höher ausfallen, was sich nicht zuletzt aus entsprechenden ZTU Schaubildern entnehmen lässt. Die letzteren Werkstoffe werden einzig und allein aus wirtschaftlichen Überlegungen, aber nicht mit dem Ziel der nachhaltigen Kundenzufriedenheit, eingesetzt.

Beispiele von Schäden hervorgerufen durch zu geringe Einsatzhärtetiefe

Getriebe einer Zuckerrübenschnitzelpresse: Bild 9 zeigt ein circa 1,60 m großes, einsatzgehärtetes Zahnrad aus 18CrNiMo7-6, welches in der Abtriebsstufe eines 55 t schweren Getriebes einer Zuckerrübenschnitzelpresse eingesetzt war. Unverkennbar sind die weggeschliffene Protuberanz (Schleifzugabe) und signifikante Schleifkerben im Zahngrund.Darüber hinaus waren Risse in der Zahnflanke vorhanden: Es handelt sich dabei um einen Kapitalschaden, welcher auf eine ungenügende Einsatzhärtetiefe und fehlerbehaftete Rikkorberechnung (Ritzelkorrektur aufgrund Wellendurchbiegung unter Last) zurückzuführen ist.

Ritzelwelle eines Schaufelradgetriebes: Die Analyse einer stark beschädigte Antriebsritzelwelle eines 60-t-Schaufelradgetriebes aus dem Werkstoff 16MnCr5. hat ergeben, dass die minimal erforderliche Einsatzhärtetiefe von 1,1 mm am Ende der Evolvente stark unterschritten wurde und damit der Beanspruchung nicht standhalten konnte.

Kammwalze eines Kammwalzgetriebes: Das Wachstumsverhalten von Kammwalzen stellt sich etwas anders dar. Der Verzahnungsballen baucht infolge der Einsatzhärtung in der Mitte des Ballens in der Regel etwas ein, während der Verzahnungsballen an den Enden wächst (Bild 11). Um beim Schleifen über die gesamte Verzahnungsbreite dieselbe Zahnweite zu erhalten, kann demzufolge bei zu großem Wachstum und Einfallen signifikante Einsatzhärtetiefe-Werte weggeschliffen werden. Bild 11 zeigt eine stark beschädigte Kammwalze, welche nach wenigen Monaten im Einsatz ausgefallen ist. Die nach DIN/ISO geforderte Einsatzhärtetiefe wurde um 33 % unterschritten und konnte dadurch der Beanspruchung nicht standhalten.

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