Forschungsberichte

Tiefnitrieren von Zahnrädern

FVA 615 II, IGF-Nr. 17321 N

Metallografischer Schliff der Zahnradsegmente aus 31CrMoV9 und 30CrNiMo8 nach dem Tiefnitrieren

Abgeschlossen: Durch Nitrieren kann die Beanspruchbarkeit von Zahnrädern, insbesondere die Zahnflanken- und Zahnfußtragfähigkeit, signifikant gesteigert werden. Die Dauerfestigkeit und damit die Lebensdauer nitrierter Bauteile steigen mit zunehmender Nitriertiefe, wobei die benötigte Nitriertiefe abhängig von der Größe der Verzahnung ist. In der Praxis wird eine Nitrierhärtetiefe (NHD bzw. Nht) von etwa 0,6 mm als Grenzwert angesehen, so dass mit zunehmender Größe der Verzahnung überwiegend das Einsatzhärten Anwendung findet. Beim Tiefnitrieren werden Nitrierhärtetiefen von etwa 0,8-1,0 mm angestrebt, daher ist durch diese Behandlung eine deutliche Steigerung der Belastbarkeit der nitrierten Zahnräder bei mittleren und größeren Verzahnungen zu erwarten.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden schwerpunktmäßig wirtschaftliche Prozesse zur Erzeugung hoher Nitriertiefen erarbeitet. Die Nitrierbehandlungen wurden aufbauend auf zunächst durchgeführten Kurzversuchen zum Anlass- und Nitrierverhalten ausgewählter Stähle entwickelt. Durch eine zwei- oder mehrstufige Prozessführung konnte die Verbindungsschicht kontrolliert und gleichzeitig die Prozessdauer durch eine höhere Nitriertemperatur in der zweiten Stufe verkürzt werden. Die maximal mögliche Temperatur wurde werkstoffabhängig gewählt, da diese einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit der Nitrierschicht und des Grundwerkstoffs hat. Neben dem geregelten Gasnitrieren kam auch das Pulsplasmanitrieren zum Einsatz.

Gegen Ende des Projektes wurden vielversprechende Behandlungen auf Prüfzahnräder übertragen und stichprobenartig das Tragfähigkeitspotential am Pulsatorprüfstand und im Laufversuch überprüft. Die Versuchsergebnisse der hier durchgeführten Pulsatorversuche zur Zahnfußtragfähigkeit ordnen sich hinsichtlich der Zahnfuß-Dauerfestigkeit in den mittleren bzw. oberen Bereich einsatzgehärteter, festigkeitsgestrahlter Zahnräder vergleichbarer Baugröße ein, bestätigen allerdings im Wesentlichen auch die aus der Literatur bekannte erhöhte Überlastempfindlichkeit nitrierter Zahnräder auch bei erhöhter Nitrierhärtetiefe. Die stichpunktartigen Laufversuche zur Zahnflankentragfähigkeit lassen deutlich unterschiedliche Zahnflankentragfähigkeiten erwarten. Wird die Verbindungsschicht beschädigt bzw. ist diese nicht ausreichend stark ausgeprägt, so kommt es zum Abtrag dieser Verbindungsschicht und in der Folge zur Beschädigung der Zahnflanke bei bereits relativ geringen nominellen Zahnflankenpressungen. Ausreichend dicke Verbindungsschichten ohne eine Vorschädigung lassen auf Basis der vorliegenden Stichversuche für den Werkstoff 32CDV13 hingegen Zahnflankentragfähigkeiten erwarten, die oberhalb der Normangaben für nitrierte Zahnräder und im Bereich bzw. oberhalb gängiger Werte für einsatzgehärtete Zahnräder liegen.

Download: V-AiF_17321 N_615 II Tiefnitrieren

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