Die Einsatzhärtetiefe lässt sich am Bauteil zerstörungsfrei nur indirekt über eine Couponprobe erahnen. Dass diese nach Abschluss der Hartbearbeitung dem Belastungskollektiv standhalten kann, wird schlicht vorausgesetzt. Tatsächlich nimmt die in der Wärmebehandlung eingestellte Einsatzhärtetiefe vom Zahnkopf zum -fuß hin jedoch deutlich ab. Wird das vom Hersteller nicht berücksichtigt, sind in vielen Fällen frühzeitige Zahnradschäden wie Graufleckigkeit, Pittings, Risse und sogar Zahnausbrüche die Folge.
Aus diesem Grund hat das Unternehmen C. u. W. Keller für Bauteile, die kritisch sind oder stark beansprucht werden, ein Verfahren entwickelt, bei dem das Zahnrad in der finalen Grünfertigung bewusst um einen bestimmten Faktor zu klein gefertigt wird.
Getriebe und Zahnräder dienen zur Kraft- und Bewegungsübertragung. Hierbei werden die Zähne einer Fülle von Beanspruchungsarten ausgesetzt, wie Flächenpressung und Biegung. Eine Möglichkeit, um diesen Beanspruchungen entgegenzutreten, besteht in der Verwendung einsatzgehärteter Zahnräder. Im Brennpunkt des Anwenderinteresses stehen dabei die rechnerisch optimale Auslegung und die Einhaltung geometrischer Anforderungen. Weniger Beachtung schenken sie oft den werkstofftechnischen Anforderungen, obschon der eingesetzte Werkstoff, meist der Einsatzstahl 18CrNiMo7-6, enormen Einfluss auf Erfolg oder Misserfolg ausübt.
Vermeintlich kleine Änderungen in der chemischen Zusammensetzung und Gefügestruktur entscheiden darüber, ob ein Zahnrad in der Praxis wärmebehandlungstechnisch geeignet ist und dem Belastungskollektiv standhalten kann.
Einsatzhärtetiefe in der Praxis
Bei der einzustellenden oder geforderten Einsatzhärtetiefe am Fertigbauteil sind neben den Normvorgaben mindestens auch die Bearbeitungs- und Schleifzugaben zu berücksichtigen und der Normvorgabe hinzuzufügen. Allerdings werden hierbei typische werkstofftechnische Verhaltensmuster infolge der Wärmebehandlung noch nicht berücksichtigt, welche problematisch sein können: Nämlich der Verzug und in der Regel das Wachstum von Bauteilen nach erfolgter Wärmebehandlung, aber auch die unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten vom Zahnkopf hin zum -fuß.
Diese Phänomene sind physikalisch bedingt und nicht zu vermeiden. Sie können dazu führen, dass die Einsatzhärtetiefe in der Fertigbearbeitung im schlimmsten Fall vollkommen eliminiert wird. Der Getriebe- oder Zahnradhersteller muss dies bei der Wahl oder Vorgabe der Einsatzhärtetiefe an den Wärmebehandler berücksichtigen.
Ursachen für Bearbeitungskerben
Der bei der Wärmebehandlung unumgängliche Verzug und das Wachstum der Verzahnungsteile haben bei Außenverzahnungen außerdem den Nachteil, dass unter Umständen deutlich mehr als die vorgesehene Bearbeitungszugabe weggeschliffen wird. Mögliche Bearbeitungskerben im Zahnfuß und eine deutlich zu geringe Einsatzhärtetiefe können die Folge sein. Der frühzeitige Ausfall des Zahnrads ist somit einzuplanen. Erhöht der Hersteller allerdings die Einsatzhärtetiefe-Vorgabe an den Wärmbehandler, wird diese zu kostspielig und manchmal wegen Durchhärtungsrisiken am Zahnkopf nicht praktikabel.
Einfluss von Verzug und Wachstum
Abhilfe können in diesen Fällen zum Beispiel verzugsmindernde Werkstoffeigenschaften schaffen, aber auch entsprechende Vorkehrungen auf der Wärmebehandlungsseite, zum Beispiel ein vorgeschaltetes Vergüten. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht immer ausreichend, um eine Einsatzhärtetiefe am Fertigteil zu gewährleisten, die den Berechnungsgrundlagen entspricht und ausreicht. Es kann durchaus sein, dass ein Zahnrad mit einem Durchmesser von 1,5 Metern in der Einsatzhärtung um bis zu vier Millimeter im Durchmesser wächst.
Dieses Wachstum impliziert auf der Zahnflanke einen zusätzlich wegzuschleifenden Betrag in Höhe von 0,66 Millimeter. Bandagen von zwei Meter Durchmesser wachsen auch schon mal bis zu zehn Millimeter! Bei einem Modul von 20 Millimeter und einer entsprechenden Einsatzhärtetiefe von circa drei Millimeter sind dann 1,66 Millimeter an Einsatzhärtetiefe zusätzlich weg. In Kombination mit dem unvermeidbaren Einsatzhärtetiefe-Abfall kann dies frühzeitig zum Versagen führen.
Insbesondere in der Einzelteil- oder Sondergetriebeherstellung können Hersteller nur unzureichend auf Verzugswerte oder Wachstumserfahrungswerte zurückgreifen, da die Vormaterialien meist geschmiedet werden und eine unterschiedliche Historie mit unterschiedlichen Eigenschaften bei der Wärmebehandlung aufweisen.
Entschlüsselung des Wachstumsverhaltens
Vor diesem Hintergrund hat das Unternehmen Keller bei kritischen Bauteilen und hohen Beanspruchungsfällen über die letzten 15 Jahre ein Verfahren entwickelt. Der eigentlichen Wärmebehandlung wird dabei eine besondere Wärmebehandlung vorgeschaltet. Deren Ziel ist es festzustellen, wie sich das Material beim Einsatzhärten verhalten wird. Die hieraus gewonnene Erkenntnis wird bei der finalen Grünfertigung des Zahnrades und vor der endgültigen Wärmebehandlung berücksichtigt.
Sprich, das Zahnrad wird in der Regel um einen bestimmten Wert sowie einen aus der Erfahrung stammenden Korrekturfaktor zu klein gefertigt, da das Bauteil in der Einsatzhärtung in das erforderliche Maß hineinwachsen wird. Diese Vorgehensweise ist aufwendig und erhöht die Durchlaufzeit um circa eine Woche, ist aber qualitätsentscheidend. Auf diese Weise stellt das Unternehmen selbst innenverzahnte und einsatzgehärtete Hohlräder für Planetengetriebe nachhaltig zeichnungs- und norm-
gerecht her.