Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermittlung und Steigerung der Tragfähigkeit von tiefnitrierten Zahnrädern

Im Vorläufervorhaben AiF 17321 N durchgeführte Stichversuche für den Werkstoff 32CDV13 lassen für tiefnitrierte Zahnräder Flankentragfähigkeiten erwarten, die im Bereich bzw. sogar oberhalb gängiger Werte für einsatzgehärtete Zahnräder liegen. Bemerkenswert ist, dass die Verbindungsschicht nach den Laufversuchen nahezu unbeschädigt ist, während bei anderen Werkstoffen bereits nach wenigen Lastwechseln Ausbrüche in der Verbindungsschicht auftraten.

Aufgrund der langen Nitrierdauer, spielen die Anlassbeständigkeit und die beim Anlassen erzeugte Ausscheidungsstruktur der verwendeten Stähle eine zentrale Rolle für die Eigenschaften der Bauteile nach dem Tiefnitrieren. Ziel des Vorhabens ist die Klärung der werkstofftechnischen Mechanismen, die für die Tragfähigkeit von tiefnitrierten Verzahnungen eine entscheidende Rolle spielen sowie der Nachweis gesteigerter Tragfähigkeit tiefnitrierter Zahnräder aus verschiedenen Nitrierstählen. Neben Anlass- und Nitrierversuchen mit umfangreichen Gefügeuntersuchungen sollen hierzu Tragfähigkeitsuntersuchungen an Zahnfuß und -flanke erfolgen.

Mit dem Tiefnitrieren als verzugsarme Alternative zum Einsatzhärten können die Kosten für eine Nachbearbeitung deutlich reduziert werden. Weitere Kosteneinsparungen ergeben sich durch die Ausnutzung höherer Tragfähigkeitswerte. Auch der Einsatz unter Betriebsbedingungen, für die einsatzgehärtete Verzahnungen nicht in Frage kommen, wie z.B. Trockenlauf oder Betriebstemperaturen oberhalb der Anlasstemperatur des Einsatzhärtens sind möglich. Tiefnitrierte Zahnräder lassen außerdem aufgrund der höheren Nitrierhärtetiefe ein verbessertes Tragfähigkeitsverhalten für mittlere und große Verzahnungen erwarten.

Ein bezüglich Werkstoff, Vorwärmebehandlung und Verbindungsschicht optimiertes Tiefnitrieren nach der Weichbearbeitung kann von den KMU nahezu 1:1 in der Praxis reproduzierbar umgesetzt werden (Copy-Save) und bringt einen Erfahrungsvorsprung, der nicht durch Reverse-Engineering nachvollziehbar ist.

Ergebniszusammenfassung:

Durch Nitrieren kann die Beanspruchbarkeit von Zahnrädern, signifikant gesteigert werden, wobei die benötigte Nitriertiefe abhängig von der Größe der Verzahnung ist. Voraussetzung ist allerdings eine tragfähige Verbindungsschicht an der Oberfläche. Ziel des Forschungsvorhabens war eine deutliche Steigerung der Belastbarkeit nitrierter Zahnräder als verzugsarme Alternative zum Einsatzhärten.

Es wurden Tiefnitrierbehandlungen für den Werkstoff 31CrMoV9 entwickelt, mit denen tragfähige Verbindungsschichten gezielt erzeugt werden können. Zudem wurde aufgezeigt, dass durch eine Optimierung der Vorwärmebehandlung eine höhere Festigkeit eingestellt werden kann. Durch die Kombination aus optimierter Vorwärme- und Tiefnitrierbehandlung ist es gelungen, beim Untersuchungswerkstoff ähnliche Tragfähigkeiten zu erreichen, wie mit dem Sonderwerkstoff 32CDV13 im Vorläufervorhaben. Durch die weiteren untersuchten Nitrierschichtvarianten beim Hauptwerkstoff konnten darüber hinaus Erkenntnisse zum Einfluss der Verbindungsschicht auf die Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit gewonnen werden.

Weitere Ziele waren die Absicherung der hohen Tragfähigkeit des tiefnitrierten 32CDV13, was durch weitere Versuchspunkte gelungen ist, und das Aufzeigen des Legierungseinflusses anhand eines weiteren Werkstoffs. Mit dem 15CrMoV5-9 wurde ein Werkstoff identifiziert, der in vergleichsweise kurzer Nitrierdauer tiefnitriert werden kann und gleichzeitig eine sehr hohe Tragfähigkeit aufweist.