Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Tragfähigkeit und Verfestigungspotenzial von Zahnrädern aus ausferritischem Gusseisen (ADI)

Gussbauteile aus ADI kombinieren Festigkeiten oder Bruchdehnungen von in der Antriebstechnik gängigen Stählen (z.B. 42CrMo4QT) mit der gestalterischen Freiheit der Gießtechnologie. Zudem bilden sich unter Wälzbeanspruchung verschleißfeste Oberflächen durch Martensitumwandlung aus, die den Werkstoff insbesondere für Zahnradanwendungen interessant machen. Ein wirtschaftlicher Einsatz dieses potenzialträchtigen Werkstoffes wird vielfach durch die anspruchsvolle Zerspanbarkeit und mangelnde Kenntnisse über die Festigkeit in Zahnradanwendungen verhindert. Die ermittelten Festigkeitswerte von einfachen Werkstoffproben sind insbesondere hinsichtlich der Wälzfestigkeit nicht auf Zahnräder übertragbar.

Das Ziel des Projektes ist daher die Ermittlung von normkonformen Werkstoffkennwerten, um den Normtragfähigkeitsnachweis nach DIN 3990 / ISO 6336 für ADI zu ermöglichen. Weiterhin sollen das Verfestigungspotenzial und die Schadenscharakteristik von ADI-Zahnrädern eingängig analysiert werden. Dazu wird zum Einen der Effekt einer Kugelstrahlbehandlung (Vorwegnahme von Einlaufeffekten) von ADI-Werkstoffen in seiner Auswirkung auf die Zahnradtragfähigkeit erforscht. Zum Anderen wird anhand von metallografischen Analysen das Rissverhalten hinsichtlich Grübchenbildung und Zahnfußtragfähigkeit ermittelt.

Das Interesse, ADI in vielfältigen Anwendungsbereichen einzusetzen, ist sehr groß, so dass von einem hohen Umsatzpotenzial ausgegangen werden kann. Die gegenüber einer Schmiedefertigung erzielbare Ressourceneffizienz durch gießtechnische Herstellung sowie die Möglichkeit der Prozesskettenverkürzung lässt eine umfangreiche Umsetzung der Erkenntnisse des Vorhabens erwarten.

Das Vorhaben ist insbesondere für KMU der Getriebeauslegung und Zahnradfertigung sowie ADI-Gussherstellung von Bedeutung, da es zum sicheren Tragfähigkeitsnachweis mit diesem Werkstoff befähigt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurden Dauerfestigkeitskennwerte für eine normkonforme Auslegung von Zahnrädern mit der ISO 6336 ermittelt. Die Kennwerte ermöglichen eine Neuauslegung und Tragfähigkeitsberechnung von beliebigen Stirnradgeometrien mit dem neuartigen Zahnradwerkstoff "Ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit" bzw. "ADI" nach dem europäischen Normkonzept. Es wurden weiterhin Einflüsse der Baugröße und eines Verfestigungsstrahlens auf die Zahnradtragfähigkeit ermittelt und quantifiziert, die bei der Neuauslegung unmittelbar in die Norm mit einbezogen werden können.

Aufgrund der hohen Versuchsdatenbasis konnten statistisch abgesicherte Umrechnungsfaktoren für den Transfer der Ausfallwahrscheinlichkeit von 50 % auf 1 % hergeleitet werden, die es ermöglichen, Tragfähigkeitsergebnisse aus dem Forschungsumfeld und der Industrie mit dem Werkstoff ADI normkonform in isolierte Werkstoffkennwerte (Zahnfuß und Grübchen Dauerfestigkeiten) der ISO 6336-5 umzurechnen und so mit anderen Werkstoffsystemen für Zahnräder vergleichbar zu machen.

Die durchgeführten Schadenscharakterisierungen zeigen ein Schadensbild, welches in Bezug auf Rissausgangsort, Rissausbreitung und Schädigungsausprägung ähnlich zu Zahnrädern aus einsatzgehärteten Einsatzstählen ist. Das erlangte Wissen ermöglicht die Definition einer Dauerfestigkeitsgrenze in Bezug auf die Lastspielzahl und eines Schadenskriteriums für zukünftige Auslegungen, sowie Leitlinien für zukünftige Materialqualifizierungen von ADI für die ISO 6336. Außerdem können künftige Applikationen mit diesem Wissen gezielt auf eine der beiden Schadensarten optimiert werden.

Die Untersuchungen zur Vorverzahnung im Wälzfräsprozess geben dem Anwender wichtige Prozessparameter für eine stabile Zerspanung zur Hand, wodurch die Werkzeugstandzeit beim Wälzfräsen von ADI Zahnrädern maximiert werden kann.