Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss von nanoskaligen Ausscheidungszuständen in der Randschicht durch thermochemische Wärmebehandlungen auf die Zahnradtragfähigkeit

Das Vorhaben befasst sich mit der Variation des Ausscheidungszustands einsatzgehärteter Proben. Im Rahmen des Vorhabens soll unter Anderem der theoretische Hintergrund (bspw. Kinetik) der Bildung von Carbiden, Nitriden und Carbonitriden im Gefüge untersucht werden. Darüber hinaus erfolgt eine umfassende Beschreibung und Charakterisierung der eingestellten Zustände. Mithilfe dieser Untersuchungen sowie Ergebnissen zur Zahnradtragfähigkeit (Zahnfuß- und –flanke) ist die ganzheitliche Betrachtung sowie ein tieferes Verständnis zum Einfluss von Ausscheidungen auf die Bauteileigenschaften möglich. Unterstützend werden Untersuchungen an Modellproben (Biegung und Torsion) durchgeführt und mit den Gefügezuständen korreliert. Entsprechend des vorliegenden Antrags sollen im geplanten Forschungsvorhaben eine Vielzahl an Temperatur-Zeit-Verläufen in Kombination mit den thermochemischen Wärmebehandlungsverfahren Aufkohlen und Carbonitrieren erprobt werden. Darüber hinaus soll die Ausscheidungsbildung während des Anlassprozesses sowie einer Vorwärmebehandlung des Ausgangsmaterials (20MnCr5, 18CrNiMo7-6 sowie ein mit Niob und Vanadium mikrolegierter Werkstoff) untersucht werden. Nach Abschluss des geplanten Forschungsvorhabens liegt dem Anwender ein Arbeitspapier mit detaillierten Informationen zu ermittelten Potentialen bezüglich der Festigkeitseigenschaften von Zahnrädern inklusive der zugrundeliegenden Vorgänge im Bauteilinneren vor. Infolge des Wissenstransfers in Form von Tagungen und Veröffentlichungen erscheint eine zeitnahe Umsetzung des Prozesses ohne abzusehende Investitionen möglich. Dies ermöglicht es insbesondere KMUs mit bestehenden Wärmebehandlungsanlagen ihr Produktportfolio 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 zu minimieren.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurden Randschichtzustände mit variierenden Restaustenitgehalten und unterschiedlich stark ausgeprägten Ausscheidungszuständen auf ihre reproduzierbare Einstellbarkeit sowie die sich aus dem mehrphasigen Gefüge ergebenden Festigkeitseigenschaften geprüft. Es wurden mehrere Varianten durch einen Einsatzhärteprozess mittels Carbonitrieren bzw. Niederdruckaufkohlen eingestellt. Da die untersuchten Wärmebehandlungsvarianten weit außerhalb der üblichen Prozessfenster liegen, wurden Rahmenbedingungen für eine reproduzierbare Herstellung aufgeführt.

Eine belastbare quantitative Charakterisierung der Randschicht bleibt weiterhin eine Herausforderung. Durch den Einsatz der Synchrotronstrahlung ist aber eine Korrelation der Phasenanteile mit den Elementgehalten über den gesamten Randschichtbereich möglich.

Bezogen auf eine gasaufgekohlte Referenzvariante wurden ähnliche oder gesteigerte Zahnfußtragfähigkeiten ermittelt. Für Varianten mit fein verteilten Ausscheidungen und vergleichsweise hohen Restaustenitgehalten in der Randschicht wurden Tragfähigkeitspotentiale identifiziert.

Die Ergebnisse zur Grübchentragfähigkeit lassen einen positiven Einfluss von ausscheidungshaltigen Randschichten erkennen. Entscheidender als der Einfluss des Ausscheidungszustandes scheint allerdings der Restaustenitgehalt zu sein. Dabei sind dessen lokale Verteilung und insbesondere dessen Stabilität in der Bewertung zu berücksichtigen.

Die Ergebnisse zur Grauflecken-, Verschleiß- und Fresstragfähigkeit bestätigen frühere Ergebnisse. Ein Effekt der Ausscheidungen in der Randschicht auf die Graufleckentragfähigkeit kann nicht abgeleitet werden, da in diesem Fall primär tribologische Eigenschaften dominieren. Bezüglich der Verschleißtragfähigkeit wies ein Großteil der untersuchten Varianten ein ähnliches Verhalten wie eine Referenzvariante auf. Die Untersuchungen zur Fresstragfähigkeit lieferten keine eindeutige Tendenz hinsichtlich des Einflusses von Ausscheidungen.