Große Bauteile wie Zahnräder werden in großen Konstruktionen wie Schiffen, Windturbinen, Walzwerken, Verkehrsmitteln, Eisenbahnen, Flugzeugen, Zementbrechern, im Bergbau und in der Ölindustrie eingesetzt. Es gibt drei wichtige Methoden der Oberflächenhärtung, die zur Verbesserung und Erweiterung der technischen Einsatzmöglichkeiten solcher Getriebeteile eingesetzt werden. Materialdesigner und Ingenieure müssen entscheiden, welche Methode sie anwenden wollen. Die Vorteile des Oberflächenhärtens sind die hohe Härtetiefe in kurzer Zeit, die lokale Härtung großer Bauteile und die gute Flexibilität. Eine solche Stärkung bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich, die bewältigt werden müssen. Welche Wärmebehandlung von Metallen ist die beste? Warum ist für die Wärmebehandlung die richtige Umgebungs- und Materialtemperatur erforderlich? Welche Arten der Wärmebehandlung gibt es? Wir schreiben darüber weiter unten! Vergleich der drei Wärmebehandlungsmethoden
Im Folgenden werden die gängigsten Arten der Wärmebehandlung erläutert.
Aufkohlung – Die erste Methode ist das Aufkohlen. Das Verfahren wird in der Regel bei hohen Temperaturen von 880°C bis 980°C durchgeführt, wobei die Abschrecktemperaturen zwischen 780°C und 860°C liegen. Das Standardverfahren ist die Gasaufkohlung. Durch Diffusion von Kohlenstoff an die Oberfläche und Abschrecken bildet sich eine starke, harte martensitische Oberflächenschicht von bis zu 10 Millimetern Dicke. Bei diesem thermochemischen Verfahren wird dem Werkstück mit Hilfe eines kohlenstoffreichen Gases, nämlich Methan (CH4) oder Propan (C4H8), eine bestimmte Menge an Kohlenstoff zugeführt. Nach dem Aufkohlen werden die Werkstücke gehärtet und auf die erforderliche Oberflächenhärte angelassen, um innere Spannungen zu reduzieren. Neben der hohen Oberflächenhärte (bis 850 HV) und Verschleißfestigkeit weisen die so behandelten Werkstücke auch eine gute Rückbiege- und Dauerfestigkeit aufgrund von Druckeigenspannungen auf. Beim Aufkohlen, Abschrecken und Anlassen können spezifische Zeit- und Temperaturänderungen vorgenommen werden, um die Materialeigenschaften zu optimieren und die mit den jeweiligen Chargierverfahren verbundenen Maßänderungen zu minimieren.
Nitrieren
Die zweite Methode ist das Nitrieren. Diese Art der Wärmebehandlung wird ebenfalls häufig angewandt. Der Temperaturbereich für Nitrierbehandlungen beträgt 500°C bis 580°C beim Gasnitrieren und 400°C und mehr beim Plasmanitrieren. Das Nitrieren ist ein Verfahren zur Anreicherung der Oberflächenschicht eines Eisenwerkstoffs mit einer bestimmten Menge Stickstoff oder, im Falle des Nitrocarburierens, mit Stickstoff und Kohlenstoff. Dies erhöht nicht nur die Härte, sondern auch die Verschleißfestigkeit, die Dauerfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Reibungseigenschaften. Darüber hinaus findet keine mikrostrukturelle Umwandlung von Austenit in Martensit statt, was eine hohe Maßstabilität gewährleistet. In der Regel beträgt die maximale Eindringtiefe beim Nitrieren 0,8 mm. Je nach Material ist die Eindringtiefe größer als 1,0 mm. Das verzugsfreie Nitrieren ist in vielen Fällen eine brauchbare Alternative zum Oberflächenhärten (Randschichthärten), vorausgesetzt, es wird ein geeigneter Stahl verwendet. Nitrierte Stähle sind in DIN 17211 und EN 10085 aufgeführt.
Aufkohlen durch Flammenerwärmung
Das letzte der Wärmebehandlungsverfahren ist das Aufkohlen durch Flammen-, Induktions-, Laser- oder Elektronenstrahl-Erwärmung. Sie erfolgt bei Behandlungstemperaturen von 50°C – 100°C – höher als die materialeigene Aushärtungstemperatur. Diese Prozesse führen zu einer harten martensitischen Oberflächenstruktur. Diese Verfahren können auch zum Härten großer Bauteile oder komplexer Geometrien eingesetzt werden. Die Induktions- oder Flammenerwärmung wird für Bereiche mit hoher Werkstückbelastung eingesetzt. Die Optimierung von Verfahren und die Suche nach Lösungen auf der Grundlage von flamm- und induktionsgehärteten Werkstücken erfordert ein hohes Maß an Erfahrung. Daher ist die Bewertung und Konsistenz der Prüfstücke von entscheidender Bedeutung und kann durch eine detaillierte Definition der Maschinenparameter erheblich verbessert werden. Darüber hinaus sind Härte, Tiefe und Kernfestigkeit wichtige Faktoren, wenn die Tragfähigkeit des Materials ein Schlüsselkriterium ist. Wenn die Tragfähigkeit eines solchen Zahnrads einen kritischen Wert zu erreichen droht, ist das Diffusionshärten vorzuziehen, auch wenn die auftretende Dehnung nach dem Stickstoffhärten geringer ist. Dieser Typ wird wiederum für Materialien wie Hydraulikzylinder bevorzugt, bei denen eine geringe Härte ausreicht. Aufgrund der höchsten Belastbarkeit ist das Diffusionshärten die erste Wahl für die Bearbeitung großer Getriebeteile.
Bei der Oberflächenbehandlung großer Getriebekomponenten sind drei Hauptbereiche zu beachten:
- Härtbarkeit
- Gewicht
- Maßänderungen und Verformungen
- Aushärtung
Größere Bauteile werden in der Regel in Öl abgeschreckt. Das Abkühlen unter den Schmelzpunkt dauert in der Regel mehr als eine Stunde, abhängig von der Größe der Bauteile. Während dieser Zeit wird die Wärme durch die Oberfläche geleitet. Daher wird ferritisch-perlitischer Stahl bevorzugt. Andernfalls werden die Oberflächenhärte und die Bautiefe erheblich verringert. Je größer der Querschnitt ist, desto notwendiger ist die Verwendung hochlegierter Stähle. Die Legierungselemente Cr, Ni, Mo, Mn und V verbessern die Härtbarkeit, und der Zusatz von V, Ni und Mo erhöht die Festigkeit. Werden trotz intensiver Ölabschreckung mit sehr guter Kühlung und Umwälzung Stähle mit unzureichender Härtbarkeit gewählt, kommt es bei großen Bauteilen zu einem inakzeptablen Abfall der Härte und Härtetiefe. Dieser Rückgang ist bei Zahnradbauteilen besonders unterhalb des Teilkreises bis zum Zahnfuß zu beobachten, wo die Härte deutlich unter 52 HRC liegt. Bauteile können in kurzer Zeit durch Lochfraß oder Seitenbrüche beschädigt werden. Daher sollte die Form der Zubereitung so beschaffen sein, dass sie neben den nicht standardisierten Abmessungen auch eine größere geometrische Ähnlichkeit aufweist. Die Abkühlungsgeschwindigkeit und die Härtbarkeit des Stahls haben einen starken Einfluss auf die Formänderung (Schrumpfung und Ausdehnung). Aufkohlungsstahlwerke mit modernen computergesteuerten Schmelzanlagen können die Härtbarkeit fein abstimmen. Die Kosten sind unabhängig von der Größe der unteren 2/3 oder oberen 2/3 der Härtbarkeitszone. Noch vorteilhafter, aber mit zusätzlichen Kosten verbunden, ist es, für spätere Formänderungen engere Härtbarkeitsgrenzen zu vereinbaren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Auswahl von Werkstoffen für große Getriebeteile geometrische Effekte berücksichtigt und folgende Ziele erreicht werden sollten:
- Wählen Sie ein Material mit ausreichender Härtbarkeit
- Der Querschnitt des Materials muss so klein wie möglich sein.
- Die Geometrie muss maßhaltig sein.
- Gewicht
Sie ist an der vordersten Front der Leistung entscheidend. In jedem Fall sollten Gewichtseinsparungen angestrebt werden, jedoch niemals auf Kosten der Stabilität. Bei großen Getriebekomponenten hat sich das Schweißen bewährt und ist heute der Standard, um eine gute Maßhaltigkeit zu erreichen und gleichzeitig das Gewicht zu reduzieren.
Vorbehandlung des Materials
Nach unserer Erfahrung haben sich die folgenden Arten der Vorbehandlung für große Getriebeteile bewährt und sollten im Hinblick auf Kosten und Nutzen eingehend analysiert werden:
- Das 3D-Schmieden (Verformung des Kerns durch Zug und Druck) führt zu einem gleichmäßigeren Teil mit weniger Seigerungen, weniger Porosität und einer besseren Kernstruktur.
- Nach dem Schmieden nicht an der Luft abkühlen, sondern die Temperatur des Werkstücks auf natürliche Weise auf 840°C abfallen lassen. Das Material sollte dann durch Eintauchen in Öl ausgehärtet und bei einer Umgebungstemperatur von 650 °C getempert werden. Wenn dies nicht möglich ist, zusätzlich zum Schmieden mindestens ein Vorhärten und Anlassen bei 840°C, gefolgt von einem Ölvergüten bei 650°C zur Verbesserung der Schlagzähigkeit. Aus den Messungen vor und nach der Bearbeitung lassen sich Rückschlüsse auf Maßänderungen und das Verformungsverhalten ziehen.
- Während des gesamten Prozesses sollte der Bereich der irreversiblen Anlassversprödung zwischen 250-400°C vermieden werden, d.h. eine schnelle Bewegung der einzelnen Prozessschritte in diesem Bereich. Wenn möglich, sollte die Abkühlung in Öl ab der angegebenen Glühtemperatur von 650°C erfolgen.
- Vermeiden Sie Mikrorisse, Hohlräume, Poren, Dendriten und Verunreinigungen, um das Risiko der Wasserstoffversprödung und der verzögerten Rissbildung zu verringern.
- Ein wesentlicher Vorteil ist die hohe Endmaßgenauigkeit des Werkstücks sowie die Minimierung von Nacharbeit, Maßfehlern und Mängeln.
Maßänderungen und Verformungen
Je nach Größe des Bauteils wird es immer wichtiger, Maßänderungen und Verformungen zu begrenzen. Dimensionsänderung bedeutet Wachstum oder Schrumpfung. Deformation bedeutet eine Anomalie – eine Verformung, die auf bestimmte Faktoren zurückzuführen ist. Bei einem Zahnrad mit einem Durchmesser von 1.000 mm (40 Zoll) beträgt die Verformung nur 1 mm (0,04 Zoll) pro Mikrometer. 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), und das ist die gesamte Tiefe der CHD-Beschichtung. Das bedeutet, dass die Gesamthärte abgeschliffen werden muss, um die Geometrie zu erhalten. Wachstum und Schrumpfung sind Maßänderungen, die durch mikrostrukturelle Veränderungen und thermische Spannungen während der Wärmebehandlung verursacht werden. Diese Faktoren bestimmen zwar das Maßverhalten des Werkstücks, sind aber in den meisten Fällen auch bei der Wärmebehandlung unvermeidbar. Verschiedene Ursachen tragen zu solchen Verzerrungen bei. Dazu gehören hohe Eigenspannungen und Unterschiede in der Legierungskonzentration sowie die Materialauswahl und -qualität. Darüber hinaus können auch geometrische Asymmetrien und ungleichmäßige Temperaturverteilung während des Produktionsprozesses zu Verformungen führen. Dies kann jedoch durch geeignete Maßnahmen bei der Stahlbeschaffung, der Konstruktion und der Produktion im Einzelhandel vermieden werden. Bei der Wärmebehandlung kommt es auf die Anlagentechnik, die Verfahrenstechnik und die Art des Rohmaterials an. Diese drei Faktoren können jedoch schwerer wiegen als die anderen. Daher ist die Härteverformung entscheidend für den Erfolg des gesamten Produktionsprozesses von großen Getriebeteilen. Die Kontrolle der Atmosphäre, der Temperatur und der Aushärtung/Kühlung sind wichtige Aspekte bei der Anwendung dieser Technologien.
Zusammenfassung
Das Diffusionshärten hat sich aufgrund seiner überlegenen Belastbarkeit als erste Wahl für die Bearbeitung großer Getriebeteile erwiesen. Stahlauswahl, Konditionierungswärmebehandlung, Härtbarkeit, Gewicht, Maßänderung und Verformung sind die Hauptaspekte, die berücksichtigt werden müssen, um optimale Aufkohlungsergebnisse bei der Bearbeitung zu erzielen. Wenn diese Faktoren perfekt aufeinander abgestimmt sind, ist es möglich, die Grenzen bestehender Technologien zu überschreiten und den Getriebeherstellern völlig neue Möglichkeiten zu eröffnen. Dabei ist vor allem ein entscheidender Schlüsselfaktor wichtig: Verformung während der Aushärtung. In der Vergangenheit erwies sich die härtungsbedingte Verformung als kritisches Problem. Dank einer speziellen vertikalen Härtetechnologie können auch bei horizontaler Belastung von Kronen- und Kegelrädern sehr geringe Härteverformungen erreicht werden. Wir hoffen, dieser Artikel hat Ihnen geholfen. Auf unserer site finden Sie Informationen darüber, wie die Metallverarbeitungin Bezug auf die Härterei und andere Eigenschaften aussehen sollte.