Optimierung der Wärmebehandlung von hochfesten, gesinterten Zahnrädern

Wärmebehandlung Sinterzahnrad

Pulvermetallurgisch hergestellte (PM-) Zahnräder bieten neben ökonomischen und ökologischen Einsparpotentialen im Bereich der Serienfertigung alternative Eigenschaften gegenüber konventionellen schmelzmetallurgischen Zahnrädern. Das Ziel des Forschungsvorhabens war eine systematische Untersuchung des Einflusses von Verdichtungs- und Einsatzhärtungstiefen auf die Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit von PM-Zahnrädern.

Hierzu wurden Prüfstandsversuche mit PM-Zahnrädern durchgeführt, bei denen sechs verschiedene Varianten mit unterschiedlichen Kombinationen von Verdichtungs- und Einsatzhärtetiefen im Hinblick auf die resultierende Zahnfuß- und Zahnflankenbelastbarkeit untersucht wurden. Demnach bewirkt eine – im Vergleich zu konventionellen Zahnrädern – höhere Einsatzhärtetiefe sowohl eine Steigerung der Zahnfuß- als auch der Zahnflankentragfähigkeit der Prüfräder. Zusätzlich lässt sich die Zahnfußtragfähigkeit von PM-Zahnrädern infolge Erhöhung der Verdichtungstiefe steigern. Im Gegensatz dazu zeigen Laufversuche mit dem Zwei-Wellen-Verspannungsprüfstand bei einer mittleren Einsatzhärtetiefe ein antiproportionales Verhalten der Zahnflankentragfähigkeit in Bezug auf die Verdichtungstiefe.

Als Ursache für dieses Phänomen wurde eine plastische Verformung der Zahnflanken während des Versuchs identifiziert, die zu einem Spannungsabbau aufgrund von geringeren Flächenpressungen führt. Durch computertomographische (CT) Untersuchungen der Zähne konnte die Zahnflankenoberfläche als Ort der Rissinitiierung identifiziert werden. Ausgehend von einem Anriss der Oberfläche bildet sich in den PM-Zahnrädern mit mittlerer Einsatzhärtetiefe ein ausgeprägter Hauptriss hinter der Verdichtungszone aus, welcher in Richtung Zahnkopf wächst und durch einen Ausbruch zum Bauteilversagen führt.

Neben den experimentellen Untersuchungen der Tragfähigkeit wurde ein Simulationsmodell zur quantitativen Beschreibung der Härte- und Eigenspannungstiefenprofile nach der Wärmebehandlung der PM-Zahnräder entwickelt. Das Modell basiert auf einer kontinuumsmechanischen Analyse der während der Einsatzhärtung im Werkstoff auftretenden thermomechanischen und metallurgischen Vorgänge, welche zur Entstehung von Eigenspannungen im Zahnrad führen. Die Simulation zeigt für beide Wärmebehandlungsvarianten eine martensitische Oberflächenzone mit Restaustenit und ein rein bainitisches Gefüge im Kern. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt, dass lediglich geringe, nicht signifikante Abweichungen sowohl für die Härtetiefenverläufe als auch hinsichtlich der Eigenspannungstiefenverläufe vorliegen. Daher wurde das Simulationsmodell erfolgreich validiert.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19025 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.