Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbindungsschichtdesign für tragfähigkeitsoptimierte Zahnflanken

Durch Nitrieren kann die Beanspruchbarkeit von Zahnrädern signifikant gesteigert werden. Die Nitrierschicht besteht in der Regel aus einer Verbindungs- und einer Diffusionsschicht, deren Aufbau durch die Wärmebehandlungsparameter beeinflusst wird. In vorangegangenen Forschungsvorhaben wurde gezeigt, dass der Aufbau der Verbindungsschicht einen großen Einfluss auf die tribologische Tragfähigkeit hat. Der Einfluss des Verbindungsschichtaufbaus auf die Grübchentragfähigkeit ist jedoch bisher nicht bekannt.

Im beantragten Forschungsvorhaben soll die Beziehung zwischen Verbindungsschichtaufbau und Tragfähigkeit nitrierter Zahnräder auf Basis experimenteller Ergebnisse erforscht werden. Dazu sollen mit Hilfe des geregelten Nitrierens und Nitrocarburierens im Gas und Plasma gezielt Verbindungsschichten mit unterschiedlichen Nitrid-Phasenzusammensetzungen, Verbindungsschichtdicken und Porositäten eingestellt werden. In systematischen Laufversuchen soll das Tragfähigkeitsverhalten der unterschiedlichen Verbindungsschichten hinsichtlich der Grübchentragfähigkeit ermittelt und statistisch belegt werden. In einer Parametermatrix sollen schließlich die Beziehungen zwischen Verbindungsschicht und Tragfähigkeit der Zahnräder zusammengefasst werden, so dass der Anwender Empfehlungen für die optimale Nitrierbehandlung erhält.

Die Ergebnisse des beantragten Forschungsvorhabens ermöglichen den kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) im Bereich der Getriebeherstellung und Wärmebehandlung ein weiteres Spektrum an Bauteilen herzustellen und dabei höhere Beanspruchbarkeiten der Bauteile sowie eine größere Prozesssicherheit zu realisieren. Somit können die KMU einen Vorteil für sich sowie für die gesamte deutsche Industrie erarbeiten. Darüber hinaus lässt sich das erarbeitete Wissen bezüglich des Zusammenhangs von Wärmebehandlungsparametern, Verbindungsschichtzusammensetzung und Tragfähigkeitsverhalten voraussichtlich auf zusätzliche Beanspruchungsarten und Einsatzbereiche erweitern.

Ergebniszusammenfassung:

In Vorgängervorhaben wurde gezeigt, dass der Aufbau der Verbindungsschicht (VS) einen großen Einfluss auf die tribologische Tragfähigkeit hat. Der Einfluss des VS-Aufbaus auf die Grübchentragfähigkeit ist jedoch nicht bekannt. Über die Standardanalyse hinaus, wurde die Phasenzusammensetzung der VS durch Sonderätzungen, XRD und GDOES ermittelt. Unterschiedliche Stickstoffkonzentrationen in der VS und somit die Unterscheidung zwischen γ‘- und ε-Nitrid, können durch eine Ätzung nach Beckert/Klemm sichtbar gemacht werden. Eine Ätzung nach Murakami hebt speziell ε-Carbonitride hervor. Der Einfluss der VS-Eigenschaften auf die Grübchentragfähigkeit ist unerheblich, solange an der Oberfläche eine tragfähige VS vorliegt und Graufleckigkeit vermieden wird. Eine Porenzone von CLTP < 2,0 µm wirkt sich negativ auf die Grauflecken- und Grübchentragfähigkeit aus. Die Grübchendauerfestigkeiten ordnen sich zum Teil deutlich oberhalb der in ISO 6336-5:2016 ausgewiesenen Festigkeitskennwerte für nitrierte Nitrierstähle ein. Die Ergebnisse zur tribologischen Tragfähigkeit belegen, dass mit steigendem Anteil an ε-Nitrid (≥ 61 %) in der VS, eine deutliche Reduzierung der massenmäßigen Verschleißbeträge möglich ist. Insbesondere belegen die Ergebnisse zum Graufleckenverhalten, dass, solange eine Rest-Porensaumdicke (> 2 µm) vorliegt, Graufleckigkeit weitestgehend und ab ca. 6 µm vollständig vermieden wird. Hinsichtlich der Graufleckentragfähigkeit erscheint es empfehlenswert, reine γ´- als auch reine ε-Nitrid-VS zu vermeiden. Grundsätzlich bestätigen die Ergebnisse, dass eine Abschätzung der Grauflecken- und Verschleißtragfähigkeit nitrierter Zahnräder möglich ist. Auf Basis der Ergebnisse wurden die Anforderungen der Norm ISO 6336-5:2016 zu den Eigenschaften nitrierter Zahnräder überprüft und Vorschläge für deren Erweiterung abgeleitet. Die Ergebnisse wurden zusammengefasst und darauf basierend Empfehlungen für die praktische Anwendung abgeleitet.