Große Elemente wie Getriebe werden in großen Konstruktionen wie Schiffen, Windkraftanlagen, Walzwerken, Transport, Eisenbahnen, Flugzeugen, Zementbrechern, Bergbau oder Ölindustrie verwendet. Es gibt drei wichtige Methoden zur Oberflächenhärtung, die angewendet werden, um die technische Anwendung solcher Getriebe zu verbessern und zu erweitern. Materialdesigner und Ingenieure müssen entscheiden, welche Methode anzuwenden ist. Ein Vorteil der Oberflächenhärtung ist die große Härtungstiefe in kurzer Zeit, die lokale Härtung großer Elemente und eine gute Flexibilität. Allerdings sind solche Verstärkungen auch mit Herausforderungen verbunden, denen man begegnen muss. Welche Wärmebehandlung von Metallen ist die beste? Warum erfordert die Wärmebehandlung die Einhaltung der richtigen Umgebungs- und Materialtemperatur? Was sind die Arten der Wärmebehandlung? Darüber schreiben wir unten!
Vergleich von drei Wärmebehandlungsmethoden
Im Folgenden diskutieren wir jede der beliebtesten Arten der Wärmebehandlung.
Carbonitrieren
Die erste Methode ist das Aufkohlen. Es wird normalerweise bei hohen Temperaturen von 880°C bis 980°C durchgeführt, und die Härtungstemperaturen liegen im Bereich von 780°C bis 860°C. Die Standardprozedur ist das gasförmige Aufkohlen. Durch die Diffusion von Kohlenstoff an die Oberfläche und das Härten entsteht eine starke, harte martensitische Oberflächenschicht mit einer Dicke von bis zu 10 Millimetern. Dieses thermochemische Verfahren verwendet kohlenstoffreiches Gas, nämlich Methan (CH4) oder Propan (C4H8), um eine bestimmte Menge an Kohlenstoff zum bearbeiteten Gegenstand hinzuzufügen. Nach dem Aufkohlen werden die Teile gehärtet und auf die erforderliche Oberflächenhärte abgeschreckt, um innere Spannungen zu reduzieren. Neben hoher Oberflächenhärte (bis zu 850 HV) und Verschleißfestigkeit zeigen die auf diese Weise behandelten Teile auch eine gute Biegefestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aufgrund von Restdruckspannungen. Während des Aufkohlens, Härtens und Abschreckens können bestimmte Zeit- und Temperaturänderungen vorgenommen werden, um die Materialeigenschaften zu optimieren und dimensionale Änderungen im Zusammenhang mit den entsprechenden Beladungstechniken zu minimieren.
Nitrieren durch Wärmebehandlung
Die zweite Methode ist das Nitrieren. Diese Art der Wärmebehandlung wird ebenfalls häufig verwendet. Der Temperaturbereich für das Nitrieren liegt zwischen 500°C und 580°C für das Gasnitrieren und 400°C und mehr für das Plasmanitrieren. Nitrieren ist eine Methode zur Anreicherung der Oberflächenschicht von Eisenmaterialien mit einer bestimmten Menge an Stickstoff oder im Falle von Nitrocarburizing mit Stickstoff und Kohlenstoff. Dies erhöht nicht nur die Härte, sondern auch die Verschleißfestigkeit, die Ermüdungsfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Reibungseigenschaften. Darüber hinaus findet keine mikrostrukturelle Umwandlung von Austenit in Martensit statt, was eine hohe Dimensionsstabilität gewährleistet. Die maximale Eindringtiefe des Nitrierens beträgt in der Regel 0,8 mm. Abhängig vom Material ist die Eindringtiefe größer als 1,0 mm. Verzugsfreies Nitrieren ist in vielen Fällen eine echte Alternative zur Oberflächenhärtung (Flächenhärtung), vorausgesetzt, es wird der richtige Stahl verwendet. Nitrierte Stähle sind in den Normen DIN 17211 und EN 10085 aufgeführt.
Karburierung
Die letzte Methode der Wärmebehandlung ist das Aufkohlen durch Erhitzen mit Flamme, Induktion, Laser oder Elektronenstrahl. Sie wird bei Behandlungstemperaturen durchgeführt, die 50°C - 100°C höher sind als die eigentliche Härtetemperatur des Materials. Als Ergebnis dieser Prozesse entsteht eine harte Oberfläche mit martensitischer Struktur. Diese Methoden können auch zum Härten großer Teile oder komplexer Geometrien eingesetzt werden. Induktives oder flammendes Erhitzen wird für Bereiche mit hoher Spannung des zu bearbeitenden Gegenstandes verwendet. Die Optimierung von Methoden und die Suche nach Lösungen, die auf flammen- oder induktiv gehärteten Teilen basieren, erfordert viel Erfahrung. Daher ist die Bewertung und Konsistenz von Testproben unerlässlich und kann durch eine genaue Definition der Maschinenparameter erheblich verbessert werden. Darüber hinaus sind Härte, Tiefe und Kernfestigkeit wichtige Faktoren, wenn die Tragfähigkeit des Materials das Schlüsselkriterium ist. Wenn die Gefahr besteht, dass die Tragfähigkeit eines solchen Getriebes ein kritisches Niveau erreicht, wird die Diffusionshärtung bevorzugt, auch wenn die auftretende Verformung nach dem Härten durch Nitrieren geringer ist. Dieser Typ wird jedoch bei Materialien wie Hydraulikzylindern bevorzugt, bei denen eine geringe Härte ausreichend ist. Aufgrund der höchsten Belastbarkeit ist die Diffusionshärtung die erste Wahl für die Bearbeitung großer Getriebeteile.
Es gibt drei Hauptbereiche, die bei der Oberflächenbearbeitung großer Getriebeteile berücksichtigt werden sollten:
- Härte
- Gewicht
- Dimensionale Änderungen und Verformungen
Härten
Größere Elemente werden normalerweise in Öl gehärtet. Das Abkühlen unterhalb der Schmelztemperatur dauert normalerweise länger als eine Stunde, abhängig von der Größe der Elemente. Während dieser Zeit wird die Wärme über die Oberfläche geleitet. Daher wird ferritisch-perlitischer Stahl bevorzugt. Andernfalls werden die Oberflächenhärte und die Aufbautiefe erheblich reduziert. Je größer der Querschnitt, desto notwendiger ist die Verwendung von legiertem Stahl. Die Legierungselemente Cr, Ni, Mo, Mn und V verbessern die Härtbarkeit, und die Zugabe von V, Ni und Mo verbessert die Festigkeit. Wenn Stahl mit unzureichender Härtbarkeit gewählt wird, trotz intensivem Härten in Öl bei sehr guter Kühlung und Zirkulation, wird das Ergebnis ein inakzeptabler Rückgang der Härte und der Härte Tiefe für große Elemente sein. Dieser Rückgang ist in Getriebeteilen sichtbar, insbesondere unterhalb des Teilrades bis zur Zahnwurzel, wo die Härte deutlich unter 52 HRC liegt. Elemente können aufgrund von Korrosion oder seitlichen Brüchen in kurzer Zeit beschädigt werden. Daher sollte die Form des Präparats so sein, dass es neben nicht standardmäßigen Abmessungen auch eine größere geometrische Ähnlichkeit aufweist. Die Abkühlgeschwindigkeit und die Härtbarkeit des Stahls haben einen großen Einfluss auf die Formänderung (Schrumpfung und Ausdehnung). Stahlwerke für die Carbonisierung mit modernem, computergesteuertem Schmelzen können die Härtbarkeit genau einstellen. Die Kosten sind unabhängig von der Größe der unteren 2/3 oder der oberen 2/3 der Härtbarkeitszone. Noch günstiger für spätere Formänderungen Form, aber gegen eine zusätzliche Gebühr, ist die Vereinbarung verschärfter Härtbarkeitsgrenzen. Zusammenfassend sollte bei der Auswahl von Materialien für große Getriebeteile die geometrischen Effekte berücksichtigt und die folgenden Ziele erreicht werden:
- Es sollte ein Material mit ausreichender Härte gewählt werden
- Der Querschnitt des Materials sollte so klein wie möglich sein
- Die Geometrie muss dimensionsstabile sein.
Gewicht
Sie hat eine Schlüsselrolle in der ersten Leistungslinie. In jedem Fall sollte man versuchen, Gewicht zu sparen, aber nie auf Kosten der Stabilität. Bei großen Getriebeteilen hat sich das Schweißen als effektiv erwiesen und ist nun Standard, da es eine gute Dimensionsstabilität erreicht und gleichzeitig das Gewicht reduziert.
Vorbehandlung des Materials
Aus unserer Erfahrung geht hervor, dass die folgenden Arten der Vorbehandlung bei großen Getriebeteilen wirksam waren und hinsichtlich Kosten und Nutzen gründlich analysiert werden sollten:
- Schmieden 3-D (Verformung des Kerns durch Dehnung und Kompression) führt zu einem gleichmäßigeren Teil mit geringerer Segregation, geringerer Porosität und verbesserter Kernstruktur.
- Das Teil sollte nach dem Schmieden nicht mit Luft gekühlt werden, sondern die Temperatur sollte natürlich auf 840°C fallen. Danach sollte das Material durch Eintauchen in Öl gehärtet und bei einer Umgebungstemperatur von 650°C angelassen werden. Wenn dies nicht möglich ist, sollte neben dem Schmieden mindestens eine Vorhärtung und ein Anlassen bei 840°C erfolgen, gefolgt von einer Härtung im Öl und einem Anlassen bei 650°C zur Verbesserung der Schlagfestigkeit. Aus den Messungen vor und nach dem Prozess können Schlussfolgerungen über die Änderungen der Abmessungen und das Verformungsverhalten gezogen werden.
- Im gesamten Prozess sollte der Bereich der irreversiblen Versprödung beim Anlassen im Bereich von 250-400°C vermieden werden, d.h. eine schnelle Verschiebung jeder Prozessphase in diesem Bereich. Wenn möglich, sollte eine Ölkühlung von der festgelegten Glühtemperatur von 650°C durchgeführt werden.
- Vermeiden Sie Mikrorisse, Materialverluste, Hohlräume, Dendriten und Verunreinigungen, um das Risiko von Wasserstoffversprödung und verzögerten Rissen zu reduzieren.
- Ein wesentlicher Vorteil ist die hohe Endgenauigkeit des bearbeiteten Gegenstandes sowie die Minimierung von Nacharbeiten, Maßfehlern und Mängeln
Maßänderungen und Verformungen
Je nach Größe des Elements wird die Begrenzung der Maßänderungen und Verformungen immer wichtiger. Eine Maßänderung bedeutet eine Vergrößerung oder Verkleinerung. Eine Verformung bedeutet eine bestimmte Unregelmäßigkeit - eine Verformung, die aus bestimmten Faktoren resultiert. Bei einem Zahnrad mit einem Durchmesser von 1000 mm (40 Zoll) beträgt die Verformung nur 1 mm (0,04 Zoll) pro Mikron. Bei einem Zahnrad mit einem Durchmesser von 5000 mm (200 Zoll) führt eine Abweichung von 1 Mikron zu einer Maßabweichung von 5 mm (0,2 Zoll), was die volle Auftragsschweißtiefe CHD entspricht. Dies bedeutet, dass die gesamte Härte abgeschliffen werden muss, um die Geometrie beizubehalten. Daher ist das Ziel, die Verformung zu minimieren und Maßänderungen vorherzusagen. Wachstum und Schrumpfung sind Maßänderungen, die durch mikrostrukturelle Veränderungen und thermische Spannungen während der Wärmebehandlung verursacht werden. Diese Faktoren bestimmen sicherlich das Maßverhalten des bearbeiteten Gegenstandes, aber in den meisten Fällen sind sie während der Wärmebehandlung immer noch unvermeidlich. Verschiedene Ursachen tragen zu solchen Verformungen bei. Sie umfassen hohe Restspannungen und Unterschiede in der Legierungskonzentration sowie die Auswahl und Qualität des Materials. Darüber hinaus können geometrische Asymmetrie und ungleichmäßige Temperaturverteilung während des Produktionsprozesses ebenfalls Verformungen verursachen. Dies kann jedoch vermieden werden, indem geeignete Maßnahmen in Bezug auf Stahlversorgung, Konstruktion und Einzelteilfertigung ergriffen werden. Bei der Wärmebehandlung sind die Schlüsselaspekte: Anlagenbau, Prozessengineering und Art des Rohmaterials. Diese drei Faktoren können jedoch überwiegen. Daher ist die Härtungsverformung für den Erfolg des gesamten Produktionsprozesses großer Getriebekomponenten von entscheidender Bedeutung. Die Kontrolle von Atmosphäre, Temperatur und Härtung/Kühlung sind Schlüsselaspekte bei der Verwendung dieser Technologien.
Zusammenfassung
Aufgrund der höchsten Belastbarkeit hat sich die Diffusionshärtung als erste Wahl für die Bearbeitung großer Getriebeteile erwiesen. Die Auswahl des Stahls, die konditionierende Wärmebehandlung, die Härte, das Gewicht, die Änderung der Abmessungen und die Verformungen sind die Hauptaspekte, die erfüllt werden müssen, um optimale Ergebnisse beim Aufkohlen während der spanenden Bearbeitung zu erzielen. Wenn diese Faktoren perfekt koordiniert sind, ist es möglich, die Grenzen bestehender Technologien zu überschreiten und völlig neue Möglichkeiten für die Hersteller von Zahnrädern zu eröffnen. Während dieses Prozesses ist insbesondere ein entscheidender, Schlüsselfaktor wichtig: Die Verformung während der Härtung. In der Vergangenheit haben sich durch Härtung verursachte Verformungen als kritisches Problem erwiesen. Dank der speziellen Technologie der vertikalen Härtung können sehr geringe Härtungsverformungen selbst bei horizontaler Belastung von Kronen- und Kegelrädern erzielt werden.