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.

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(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.

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.

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.

Einfluss der Fertigungsstrategie

Im Falle moderner Zahnflankenschleifmaschinen werden Schleifexpertenprogramme mitgeliefert. Diese den Praktiker bei seiner Arbeit enorm unterstützenden „Berater“ berücksichtigen in der Regel die mit eher kleinen Zahnrädern gesammelten Resultate. Die Erfahrung im Umgang mit solchen Expertensystemen bei Großzahnrädern zeigt, dass eine unkritische Auseinandersetzung mit den Vorgaben folgenschwere Mängel am Zahnrad nach sich ziehen können.

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Insbesondere an Großzahnrädern kann eine ungeschickte Abarbeitungsfolge der Zähne in Kombination mit einer eher lokalen Temperaturzunahme während des Vorschruppens zu einem erhöhten Einsatzhärtetiefe-Abtrag an der Zahnflanke führen. Genauso kann es im Umkehrschluss nach erfolgter Abkühlung auf Umgebungstemperatur dann vorkommen diese Bereiche beim anschließenden Schlichten nicht vollends mit der Schleifscheibe zu berühren und daher ein unvollkommenes Schleifresultat vorliegen zu haben.

Nicht unerwähnt gelassen darf die Tatsache des möglichen Schleifbrands. Bei während der Einsatzhärtung überdurchschnittlich gewachsenen Zahnrädern und/oder ungenügender Protuberanz in Kombination mit einer ungenügenden Vermittlung der Zähne vor Schleifbeginn nimmt die Gefahr des Schleifbrands enorm zu.

Zusammenfassung

Das Spannungsfeld und die Komplexität des modernen Getriebebaus erstrecken sich über das Engineering, die Fertigung, der Werkstofftechnik, der Wärmebehandlung sowie der Erfahrung von Mitarbeitern. Ein eher stiefmütterliches Dasein genießt die Sicherstellung der erforderlichen Einsatzhärtetiefe am Zahnrad. Ohne ausreichende Einsatzhärtetiefe ist aber ein frühzeitiger und meist sehr kostspieliger Schaden vorprogrammiert. Die nachhaltige Generierung der erforderlichen Einsatzhärtetiefe ist eine unter vielen Aufgaben, welcher sich die Firma Keller über die letzten 15 Jahre besonders intensiv gewidmet hat.

Diese Erfahrung macht es mittlerweile möglich, selbst innenverzahnte und einsatzgehärtete Hohlräder für Planetengetriebe nachhaltig zeichnungs- und normgerecht herstellen zu können. Ein Unterfangen, welches in Anbetracht von werkstoff- und wärmebehandlungstechnischen Unwägbarkeiten als harte Nuss zu bezeichnen ist. Die damit übertragbare Leistung steigt abermals an und zieht entsprechende Vorteile nach sich.

Literatur

  • [1] Hertz H.: Über die Berührung fester elastischer Körper. Gesammelte Werke, Band 1, Leipzig 1895.
  • [2] Härtetiefe-Grosszahnräder, Forschungsheft Forschungsvereinigung Antriebstechnik E.V., Forschungsvorhaben 271, 2001
  • [3] DIN 3990
  • [4] ISO 6336
  • [5] Einfluss der Vorwärmebehandlung auf Verzug und mechanische Bearbeitbarkeit am Beispiel des Stahles 18CrNiMo7-6, Vortragsband Internationales Getriebestahlsymposium, 23./24. Mai 2002 in Wetzlar.
  • [6] Wärmebehandlung Grosszahnräder, Forschungsheft Forschungsvereinigung Antriebstechnik E.V., Forschungsvorhaben 373, 2003
  • [7] Dr. Sommer Werkstofftechnik GmbH, 47661 Issum
  • [8] Feinkornbeständigkeit von Bauteilen aus dem mikrolegierten Werkstoff 18CrNiMo7-6 in Abhängigkeit der Prozesskette, HTM J. Heat Treatm. Mat. 65 (2010) 5

MM

* Dirk Keller ist Geschäftsleiter bei C. u. W. Keller GmbH & Co. KG in 53842 Troisdorf-Spich

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