Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung der Wärmebehandlung von hochfesten, gesinterten Zahnrädern

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Aufstellung grundlegender, praxisorientierter Richtlinien für die Anwendung der Einsatzhärtung von Bauteilen aus Sinterstahl mit Dichteprofil. Dazu werden Finite-Elemente-Modelle entwickelt, die die Wärmebehandlung eines Werkstoffs mit variabler Dichte abbilden können und damit einer gezielten Analyse zugänglich machen. Anhand dieser Modelle wird die Einsatzhärtung durch Variation der Prozessparameter optimiert. Bis zu diesem Zeitpunkt sind keine systematischen Forschungsarbeiten zur Simulation der Wärmebehandlung von nachverdichteten PM-Bauteilen durchgeführt worden.

Die Ergebnisse werden verifiziert, indem eine Versuchsreihe von dichtgewalzten Zahnrädern mit optimierten Prozessparametern wärmebehandelt, geprüft und anschließend mit einer Versuchsreihe von Referenzrädern verglichen wird. Die Verzahnungen werden in Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss hergestellt, um den Anwendungsbezug sicherzustellen, und im Anschluss auf einem Laufprüfstand und einem Pulsatorprüfstand hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit untersucht.

Ein Großteil der Zulieferer für Getriebekomponenten, bzw. für Werkzeuge und Werkzeugmaschinen zur Herstellung von Getriebekomponenten, zählt zu den kleinen und mittleren Unternehmen, die von der Nutzung dieser Richtlinien direkt profitieren. Für mittelständische Lohnhärtereien bietet die Wärmebehandlung von PM-Bauteilen ein Potenzial zum Aufbau eines neuen Geschäftsfeldes. Betriebe dieser Größenordnung haben meistens nicht die Möglichkeit umfangreiche Versuchsreihen durchzuführen und die Wärmebehandlung auf diese spezielle Art von Bauteilen anzupassen. Die Richtlinien zur Anpassung der Prozesse auf PM-Bauteile, die innerhalb dieses Forschungsprojekts erarbeitet werden, geben den KMUs die Möglichkeit, sich gegenüber Wettbewerbern zu behaupten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben FVA 788 I (IGF-Nr. 19025 N) wurde eine validierte Methode zur numerischen Beschreibung des Einsatzhärtens randschichtverdichteter PM Verzahnungen entwickelt. Das Ergebnis der Methode sind Härtetiefenverläufe sowie die Gefügestruktur und Eigenspannungstiefenverläufe nach der Wärmebehandlung, welche einen maßgeblichen Einfluss auf die Bauteiltragfähigkeit haben. Zur Untersuchung des Einflusses der Einsatzhärte- und Verdichtungstiefe der Zahnflanke wurden sechs Zahnradvarianten mit variierender Einsatzhärte- und Verdichtungstiefe hinsichtlich der Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass eine Tragfähigkeitssteigerung von 15,9 % infolge einer höheren Einsatzhärtetiefe erreicht werden kann. Das vorliegende Forschungsvorhaben bietet dementsprechend Kenntnisse des Einflusses der Fertigungsprozessparameter auf die Tragfähigkeit von PM Zahnrädern sowie ein validiertes Simulationsmodell zur Auslegung und Nachrechnung der Wärmebehandlung.

Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sind häufig als Zulieferer in der Getriebetechnik tätig. Das Wissen um eine geeignete Weiterverarbeitung von Verzahnungsbauteilen mit alternativen Prozessketten bietet insbesondere für KMU die Möglichkeit sich von internationalen Wettbewerbern abzuheben. Gerade für mittelständische Lohnhärtereien bietet die Wärmebehandlung von PM-Bauteilen das Potenzial zum Aufbau eines neuen Geschäftsfeldes. KMU haben jedoch oft nicht die Möglichkeit umfangreiche Versuchsreihen zum Härteverhalten, dem Nachverdichten oder hinsichtlich der resultierenden Tragfähigkeit durchzuführen. Hierbei bietet die entwickelte Simulationsmethode zur Wärmebehandlung von PM Zahnrädern in Kombination mit dessen Einfluss auf die Tragfähigkeit einen entscheidenden Wissensvorsprung. Darüber können Auslegungsrichtlinien aus den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen abgeleitet werden.