Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wälzschleifen niederdruckaufgekohlter Zahnräder mit carbidhaltigen Randschichten

Bei der Einsatzhärtung kleinmoduliger Zahnräder kommt zunehmend die Niederdruckaufkohlung (NDA) zum Einsatz. Dabei beeinflusst die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs die Ausprägung der Kohlenstofftiefe und somit die Einsatzhärtungsschicht. In der Folge können bei gleichbleibenden Aufkohlungsprogrammen in Abhängigkeit der Werkstoffcharge Schwankungen im Kohlenstoffgehalt der Werkstückrandzone auftreten. Diese Schwankungen führen zu variierenden Randschichtgefügen mit unterschiedlichen Härtetiefenverläufen und wirken sich auf die Schleifbarkeit der Werkstückrandschicht aus. Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Ermittlung von Einflüssen des Randschichtgefüges niederdruckaufgekohlter Zahnräder aus dem Einsatzstahl 20MnCr5 auf die erreichbare Prozessleistung beim Wälzschleifen. Die angestrebten Forschungsergebnisse sollen eine Abstimmung der Wärmebehandlung und der anschließenden Schleifbearbeitung aufeinander ermöglichen, sodass die Wirtschaftlichkeit der Prozesskette bei der Herstellung niederdruckaufgekohlter Zahnräder gesteigert wird. Zur Zielerreichung werden tiefgehende Untersuchungen des NDA-Prozesses im Hinblick auf die resultierende Gefügezusammensetzung durchgeführt. Zusätzlich werden die Eigenschaften der Werkstückrandschicht in Abhängigkeit der Werkstoffcharge und der gewählten Prozessführung analysiert. Im Anschluss erfolgen umfangreiche schleiftechnische Untersuchungen an kleinmoduligen Zahnrädern. Dabei werden die Beständigkeit des Randschichtgefüges bei einer thermomechanischen Belastung sowie der Einfluss des Randschichtgefüges auf die Prozessleistungsmerkmale beim Wälzschleifen ermittelt. Die Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen durch das Wälzschleifen sowie die Wärmebehandlung durch NDA werden insbesondere bei mittelständischen Automobilzulieferern eingesetzt. Die angestrebten Forschungsergebnisse sind durch eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit somit vor allem für KMU von Bedeutung.

Ergebniszusammenfassung:

Das volle Potenzial der Niederdruckaufkohlung von Zahnrädern kann nur erreicht werden, wenn die Werkstoffeinflüsse auf das Verfahrensergebnis und die Auswirkungen auf das anschließende Schleifergebnis als voneinander abhängige Prozessschritte gesamtheitlich studiert werden. Ziel dieses Vorhabens war, eine möglichst große Bandbreite an verschiedenen Randschichtzuständen unter Berücksichtigung von fertigungs- und werkstofftechnischen Aspekten zu bewerten, um für kleinmodulige Zahnräder ein vorhersagbares Schleifergebnis mit gleichbleibend hoher Qualität unter wirtschaftlichen Aspekten sicherzustellen.

In grundlegenden werkstofftechnischen Untersuchungen wurden für Niederdruckaufkohlungsprozesse die Effekte auf das Randschichtgefüge studiert und eine Auswahl an fünf Varianten getroffen. In Bezug auf schleiftechnische Untersuchungen von drei industrienahen Varianten mit Restaustenitgehalten von ca. 20 Masse % bis 50 Masse-% konnten zwar Unterschiede in der Schleifbarkeit aufgezeigt werden. Dabei wurde die Produktivitätsgrenze mit einem Randschichtgefüge bestehend aus Martensit und Restaustenit (43 Masse-%) und Carbiden in der äußersten Randschicht mit 75 % in Bezug auf den Referenzzustand bestimmt. Diese Zustände sind demnach mit Abstrichen mit gewöhnlichen Einstellungen schleifbar.

Zudem wurden gezielt zwei Randschichtzustände mit hohen Carbidanteilen eingestellt. In den dokumentierten Wärmebehandlungsprozessen ist zu erkennen, dass die Prozessführung in erheblichem Maße von der gewöhnlichen Prozessgestaltung abweichen muss, um diese Zustände zu erzeugen. In den schleiftechnischen Untersuchungen dieser Varianten wurden bei sehr geringen Axialvorschüben die Toleranzgrenzen der verschiedenen geometrischen Verzahnungskenngrößen überschritten. Daraus ergibt sich eine Produktivitätsgrenze von nur 25 % in Bezug auf den Referenzprozess. In Bezug auf die Schleifbarkeit sind somit Randschichtzustände mit erhöhtem Anteil an Carbiden zu vermeiden.