Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung der Festigkeitseigenschaften von Stirnrädern durch die Variation der Abschreckra-ten während der Hochdruckgasabschreckung

Das Vorhaben „VariQuench“ beschäftigt sich mit der Variation der Abschreckraten bei der Hochdruckgasabschreckung im Anschluss an das Niederdruckaufkohlen beziehungsweise -carbonitrieren.

Für den Prozess des unterbrochenen Härtens sollen im geplanten Vorhaben neben den während des Versuchs im Bauteil ablaufenden Vorgängen und den damit einhergehenden Potentialen wie einer verbesserten Restaustenitstabilisierung sowie einer Verminderung der Maß- und Formänderungen auch das Potential zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften an Zahnrädern kleiner beziehungsweise mittlerer Baugröße geprüft werden.

Entsprechend des vorliegenden Antrags sollen im geplanten Forschungsvorhaben eine Vielzahl an Temperatur-Zeit-Verläufen mit Haltephasen ober- beziehungsweise unterhalb der Martensit-Start-Temperatur sowie einer gegebenenfalls reduzierten Abschreckintensität auf Raumtemperatur erprobt werden.

Nach Abschluss des geplanten Forschungsvorhabens liegt dem Anwender ein Arbeitspapier mit detaillierten Informationen zu ermittelten Potentialen bezüglich der Festigkeitseigenschaften von Zahnrädern der Werkstoffe 20MnCr5, 18CrNiMo7-6 und 17NiCrMo6-4 sowie die den zugrundeliegenden Vorgängen im Bauteilinneren vor.

Nach Abschluss des Vorhabens sowie des Wissenstransfers in Form von Tagungen und Veröffentlichungen in Fachzeitschriften erscheint eine zeitnahe Umsetzung des vorgeschlagenen Prozesses ohne nennenswerte Investitionen in neue Anlagentechnik möglich. Dies ermöglicht es insbesondere KMUs mit bestehenden Wärmebehandlungsanlagen ihr Produktportfolio entscheidend zu vergrößern und damit die eigene Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. Darüber hinaus erscheint es möglich, durch das im Laufe des Forschungsvorhabens erlangte Wissen bisher ungewünschte Werkstoffzustände zuverlässig zu beurteilen und somit den Ausschuss in der Produktion entscheidend zu minimieren.

Ergebniszusammenfassung:

Untersucht wurde der Einfluss eines veränderten Abkühlungsverlaufs aufgekohlter Zahnräder beim Einsatzhärten durch Niederdruckaufkohlen und Hochdruck-Gasabschrecken. Hauptaugenmerk lag dabei auf der Erforschung der möglichen Verbesserung der mechanischen Kennwerte von Zahnrädern durch die gezielte Veränderung der Abschreckleistung während des Hochdruckgasabschreckens im Temperaturumfeld der martensitischen Umwandlung. Hierzu wurden neben Entwicklungsarbeiten bezüglich der Steuerung der Gasabschreckung zum Erreichen der gewünschten transienten Abschreckleistung weitreichende Untersuchungen zur Schwingfestigkeit von Modellproben sowie zur Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit von Zahnrädern durchgeführt. Im Rahmen der Versuchsentwicklung in der Wärmebehandlung konnte durch gezielte Änderungen des Kammerdrucks und der Umwälzergeschwindigkeit rezeptbasierte Vorgehensweisen erarbeitet werden, um die gewünschten Zeit-Temperaturverläufe im Bauteil einzustellen. Anhand der erarbeiteten Rezepte konnten erfolgreich Proben und Zahnräder wärmebehandelt werden, die anschließend geprüft wurden. Durch das veränderte Abschreckkonzept konnte bei allen Werkstoffen eine rezeptabhängige Steigerungsrate der Tragfähigkeitskennwerte von Zahnrädern und Modellproben erzielt werden. Durch vertiefte Analyse der Gefüge konnte als wichtiger Zusammenhang zwischen veränderter Zahnfußtragfähigkeit und Gefüge ein gewisser Anteil von Bainit in der Randschicht identifiziert werden. Ferner ist die Abschreckung auf eine Temperatur knapp unter der Starttemperatur der martensitischen Umwandlung und anschließende langsame Abkühlung für einige Werkstoffe und Varianten vorteilhaft gegenüber dem konventionellen Abschrecken. Eine Übertragung auf eine industrielle Anlage basierend auf der Vorgehensweise in den technischen Anlagen der Forschungsstelle 1 (IWT) wurde ebenfalls erfolgreich umgesetzt, sodass ein Transfer in die Wirtschaft direkt möglich ist. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.