Einsatzgehärtete wellenartige Bauteile

Studie zur Ermüdungsfestigkeitsbewertung einsatzgehärteter wellenartiger Bauteile

Bei Wellen- und wellenartigen Bauteilen sind die effiziente Leistungsübertragung sowie die damit einhergehende Massereduktion ein zentraler Aspekt aktueller Weiterentwicklungen. Um diesem Aspekt gerecht zu werden, steht bei den meist zyklisch belasteten Bauteilen die Steigerung der Ermüdungsfestigkeit im Fokus. Eine solche Festigkeitssteigerung kann bei Stahlwerkstoffen durch mechanische, thermische oder chemisch-thermische Verfahren erreicht werden. Besonders verbreitet ist das Einsatzhärten, welches in die chemisch-thermischen Verfahren einzugruppieren ist. Dabei wird durch das gezielte Eindiffundieren von Kohlenstoff in die Randschicht und anschließendes Abschrecken des jeweiligen Bauteils eine erhöhte Härte der Randschicht und somit eine Festigkeitssteigerung gegenüber dem Kernwerkstoff erreicht.

Um diese Festigkeitssteigerung in antriebstechnischen Anwendungen effektiv, aber auch betriebssicher, ausnutzen zu können, ist eine möglichst präzise Beschreibung der erreichten Festigkeit notwendig. Die verbreiteten Standardwerke zur Auslegung für Wellen- und wellenartige Bauteile wie die DIN 743 oder die FKM-Richtlinie bieten dem Anwender die Möglichkeit, über einen Verfestigungs- bzw. Randschichtfaktor die erreichte Festigkeitssteigerung zu berücksichtigen. Dieser Verfestigungsfaktor beschreibt das Verhältnis der Wechselfestigkeit eines (einsatz)-gehärteten Bauteils zu der Wechselfestigkeit des Grundwerkstoffes des Bauteils.....
Wie Forschungsvorhaben zeigen, ist als Schädigungsort bei Bauteilen mit verfestigten Randschichten, neben dem Versagen ausgehend von der Oberfläche, auch die Rissinitiierung unterhalb der Oberfläche im nicht verfestigten Bereich in Betracht zu ziehen. Bei Verwendung eines Verfestigungsfaktors besteht nicht die Möglichkeit, differenziert die Sicherheit gegen Dauerbruch an diesen möglichen Schädigungsorten zu bewerten. Darüber hinaus ist ungeklärt, welche Festigkeitshypothese geeignet ist, um eine schädigungsäquivalente Vergleichsspannung des vergleichsweise spröden martensitischen Werkstoffes der verfestigten Randschichten zu bilden. So verwendet die DIN 743 die Gestaltänderungsenergiehypothese, die FKM-Richtlinie hingegen die Normalspannungshypothese. Dementsprechend gilt es zu prüfen, ob konsistente Konzepte existieren, um die Festigkeit einsatzgehärteter wellenartiger Bauteile zu ermitteln.

Übergeordnetes Ziel der geplanten Studie ist die Erstellung eines FVA-Infoblattes, welches bestehende Konzepte zur Festigkeitsbewertung von einsatzgehärteten wellenartigen Bauteilen zusammenfasst. Diese Konzepte sind anhand der bei den Antragstellern und in der Literatur vorliegenden Versuchsdaten hinsichtlich ihrer praktikablen Anwendbarkeit und der erreichbaren Ergebnisgüte zu bewerten. Etwaige Lücken seitens der Konzepte bzw. seitens der Versuchsdaten für die Konzeptvalidierung sind zu dokumentieren.

Um diese Zielstellung zu erreichen, gilt es zu analysieren, welche Eigenschaften eines einsatzgehärteten Bauteils dessen Ermüdungsfestigkeit maßgeblich prägen und wie diese ermittelbar sind.
Zu diesen Eigenschaften gehören:

• Geometrie - als auch
• Beanspruchungs- und
• Werkstoffparameter