Randschichtgefüge

Alternative mehrphasige Randschichtgefüge beim Einsatzhärten zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften von verzahnten Getriebebauteilen  

In der Regel werden Zahnräder durch eine Wärmebehandlung mittels Aufkohlen und anschließendem Härten an die meist hohen Leistungsanforderungen angepasst. Die Ergebnisse aus dem Forschungsvorhaben FVA 513 I / AVIF A235 „Carbozahn“ haben gezeigt, dass durch Carbonitrieren mit erhöhtem Restaustenitgehalt eine Steigerung der Flankentragfähigkeit möglich war, ohne dabei die Zahnfußtragfähigkeit negativ zu beeinflussen. Im Rahmen des Folgevorhabens „Randschichtgefüge“ wurden deshalb gezielt alternative Randschichten im Vergleich zu dem nach Stand der Technik etablierten Randgefüge, bestehend aus Martensit und Restaustenit (< 25 %), untersucht. Diese konnten durch thermochemische Wärmebehandlungsverfahren zielsicher und reproduzierbar für die untersuchten Werkstoffe 20MnCr5 und 18CrNiMo7-6 eingestellt werden. Zur Überprüfung dieser neuen Gefügekonzepte wurden umfangreiche Analysen durchgeführt und die Ergebnisse ausführlich dokumentiert.

Die geforderten Gefügezustände wurden auf unterschiedliche Bauteile, wie Umlaufbiegeproben, 4-Punkt-Biegeproben sowie Zahnräder, übertragen, mit dem Ziel, deren Eignung für verschiedene Anwendungsfälle zu überprüfen und mögliche Potenziale in der Tragfähigkeit herauszuarbeiten.

Die Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit haben gezeigt, dass im reinigungsgestrahlten Zustand mit keiner signifikanten negativen Beeinflussung der Zahnfußtragfähigkeit im Vergleich zu den einsatzgehärteten Referenzvarianten gerechnet werden muss. Die Untersuchungen zur Grübchentragfähigkeit belegen, dass z.T. deutliche Steigerungen der Flankentragfähigkeit möglich waren (siehe Abbildung 1). Das größte Potenzial zeigte dabei die gasaufgekohlte Variante mit erhöhtem Anteil an Restaustenit (50 %). Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass der Grundwerkstoff (Reinheit, Seigerungen) einen großen Einfluss auf die Wärmebehandlung sowie die Bauteileigenschaften hat.          

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 17903 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.

Abbildung 1: Ergebnisse zur Grübchentragfähigkeit (Werkstoff 20MnCr5) der Varianten mit alternativen Randgefügen im Vergleich zur einsatzgehärteten Referenz EH: einsatzgehärtete Referenz A: alternative Randschicht (50 % Restaustenit) B: alternative Randschicht (Anlasstemperatur 280 °C) C: alternative Randschicht (30 % Bainit)