Induktionsgehärtet, aufgekohlt oder nitriert? Wählen Sie eine Wärmebehandlung für Zahnstangen

Wärmebehandlung und Präzisionsschleifen in der Produktion

Zielschlüsselwort:Wärmebehandlung der Zahnstange

Sekundär:induktionsgehärtete Zahnstange, einsatzgehärtete Tiefenzahnräder, Zahnstangenhärte HRC

Meta-Beschreibung:Echte Härtewerte und Einsatztiefen für induktionsgehärtete, aufgekohlte und nitrierte Zahnstangen - sowie warum das Härten die Genauigkeit beeinträchtigt und was die Forschung über die optimale Einsatztiefe sagt.

Auf Ihrer Zahnstangenzeichnung finden Sie eine Härteangabe. Woher kam es?

Unserer Erfahrung nach wurde es etwa in der Hälfte der Fälle von einer früheren Zeichnung kopiert, und niemand weiß mehr, warum. Die andere Hälfte wurde ausgewählt, weil eine höhere Lautstärke sicherer klang. Beides ist kein guter Grund, und beides kann Sie entweder Geld oder einen Ausfall des Racks kosten.

Die Wärmebehandlung einer Zahnstange ist eine Reihe von Kompromissen-zwischen Oberflächenhärte, Kernzähigkeit, Härtetiefe, Verformung und Preis. Wenn die Balance falsch ist, verschleißen entweder die Flanken oder die Zähne brechen ab. Hier ist, was die veröffentlichten Daten tatsächlich unterstützen.

Induktionshärten - das Arbeitstier

Beim Induktionshärten wird ein hochfrequenter Strom durch eine Spule um den Zahnbereich geleitet, wodurch nur die Oberflächenschicht erhitzt und anschließend abgeschreckt wird. Der Kern erreicht nie die Austenitisierungstemperatur und bleibt daher zäh.

Abbildung 1. Oberflächenhärtebereiche und Einsatztiefen nach Behandlungsmethode.

Erreichbare Härte, aus veröffentlichten Quellen:

Ob ein Material überhaupt induktionsgehärtet werden kann, hängt von zwei harten Einschränkungen ab. Der Prozess erfordert Stahl mitKohlenstoffgehalt von 0,30 % oder mehr- Darunter ist einfach nicht genug Kohlenstoff vorhanden, um Martensit zu bilden. Am oberen Ende sollte der Kohlenstoffgehalt bei niedrigem Schwefel- und Phosphorgehalt unter etwa 0,55 % bleiben, um die Gefahr von Abschreckrissen zu verringern.

Dieses Fenster, 0,30 % bis 0,55 % Kohlenstoff, ist genau der Grund, warum S45C und 42CrMo4 (SCM440) die Gestellproduktion dominieren. Es ist keine Tradition; es ist Metallurgie.

Eine Einschränkung ist wichtiger als erwartet: Selbst wenn Zahnflanke und -spitze richtig aushärten, ist dies beim Zahnfuß oft nicht der Fall.

Biegeermüdungsrisse beginnen an der Zahnwurzel. Wenn Ihre Fehlerursache eher Wurzelermüdung als Flankenverschleiß ist, kann Induktionshärten Ihr Problem möglicherweise nicht lösen. Die FZG-Studie bestätigt die Geometrie dieser direkt - für alle getesteten induktionsgehärteten Zahnräder: „Die Härtekontur ist an den Zahnflanken am dicksten und im Bereich der 30-Grad-Tangente an die Zahnfußkehle am geringsten.“

Den Genauigkeitsnachteil erwähnt niemand im Zitat

Durch das Härten wird das Teil verformt. Bei einem langen, schlanken Rack führt diese Verzerrung direkt zu einem Tonhöhenfehler.

Beim Einsatz von Induktionshärten wird die Genauigkeit der Verzahnung durch die Dehnung nach dem Erhitzen verringert. Wenn eine hohe Genauigkeit gewünscht wird, ist ein anschließendes Schleifen der Zähne erforderlich.

Wie groß der Effekt ist, zeigt sich daran, wie die Racks nach Prozess sortiert werden:

Das gleiche Rack mit den Maßen DIN 10 (< 0.200 mm/m) straight out of induction hardening reaches DIN 5–7 (< 0.026 to 0.052 mm/m) once the teeth are ground.

Das entspricht einem Genauigkeitsfaktor von vier bis acht, der durch eine Endbearbeitung wiederhergestellt wird. Die Vorgehensweise: „Beim Fräsen der Zähne bleibt überschüssiges Material übrig, sodass diese nach dem Aushärten geschliffen werden können.“

Die tatsächliche Spezifikation lautet also nicht „induktionsgehärtet“. Es ist „induktionsgehärtet“.und nach dem Aushärten geschliffen.“ Wenn Ihre Zeichnung Ersteres sagt und Ihre Anwendung Letzteres benötigt, werden Sie von einem Rack, das technisch konform ist, enttäuscht sein.

Eine praktische Konsequenz, die Sie kennen sollten, bevor Sie eine Bearbeitung planen: Sekundärbearbeitungen sind normalerweise an Zahnstangen in jedem Zustand möglich, mit Ausnahme von induktionsgehärteten Zähnen. Bohren Sie Ihre Befestigungslöcher vor dem Aushärten, nicht danach.

Aufkohlen von -, wenn Sie ein hartes Gehäuse und einen robusten Kern benötigen

Beim Aufkohlen diffundiert Kohlenstoff in die Oberfläche eines kohlenstoffarmen Stahls und wird dann abgeschreckt. Am Ende erhalten Sie ein hartes Gehäuse mit hohem-Kohlenstoffgehalt über einem robusten Kern mit niedrigem{3}}Kohlenstoffgehalt.

Standardmäßige Aufkohlungspraxis für die Herstellung von Zahnrädern und Zahnstangen.

Für 16MnCr5 (EN 10084, 1.7131), eine der standardmäßigen europäischen Einsatzhärtungssorten, wurden veröffentlichte Zahlen nach ordnungsgemäßem Aufkohlen und Abschrecken (Otai-Stahl):

Oberflächenhärte:58–62 HRC

Effektive Gehäusetiefe:0,6–1,2 mm typisch

Kernhärte:28–35 HRC

Kernzugfestigkeit (einsatzgehärteter Zustand): 850–1000 MPa, Streckgrenze ~550 MPa

Der Kernhärtewert ist der Kernpunkt der gesamten Übung. Bei 28–35 HRC absorbiert der Kern immer noch Stöße und widersteht der Rissausbreitung, während das Gehäuse mit 58–62 HRC Lochfraß und Verschleiß widersteht. Eine durchgehärtete Zahnstange bei 55 HRC hat keine solche Reserve - sie ist durch und durch hart und entsprechend spröde.

Das Aufkohlen kostet mehr, dauert länger und führt zu stärkeren Verformungen als das Induktionshärten. Geben Sie es an, wenn die Kontaktspannung wirklich hoch ist und eine Stoßbelastung vorliegt.

Wie tief sollte das Gehäuse sein? Die Forschung hat eine Nummer

Hier handelt es sich bei den meisten Spezifikationen um Vermutungen, daher lohnt es sich, tatsächliche Forschungsergebnisse zu zitieren.

Abbildung 2. Die Wurzelbiegefestigkeit sinkt, wenn die Einhärtetiefe 0,25 x Modul übersteigt (FZG / TU München Forschungsdaten).

In einer Studie der FZG an der TU München (FVA 660 II, veröffentlicht über AGMA 22FTM14) wurden 42CrMo4-Zahnräder bei normalen Modulen von 14 mm und 20 mm mit Spalt--für-Spalt-Induktionshärtung getestet und dabei die Biegefestigkeit des Zahnfußes im Verhältnis zur Oberflächenhärtungstiefe (SHD400, die Tiefe bis zur 400-HV1-Grenze) gemessen.

Ergebnisse, direkt zitiert:

„Es scheint einen optimalen SHD400 im Bereich von 0,15 bis 0,25 × m_n zu geben.“

„Die Zahnfußbiegefestigkeit der Variante mit einem SHD von 0,35 × m_n erreicht nur 80 Prozent der Zahnfußbiegefestigkeit der Varianten mit geringerem SHD.“

Tiefer ist schlimmer. Ein Gehäuse mit 0,35 × Modul verliert ein Fünftel seiner Wurzelbiegefestigkeit im Vergleich zu 0,15–0,25 × Modul.

Der Mechanismus ist Eigenspannung. Eine flache, gehärtete Randschicht sorgt dafür, dass die Oberfläche unter Druck steht, wodurch die Entstehung von Rissen unterdrückt wird. Wenn Sie das Gehäuse zu tief drücken, wird die Druckschicht schwächer und die Übergangszone gelangt in einen Bereich mit hoher Biegespannung.

In der Praxis beträgt dieser Bereich für ein Modul-4-Rack 0,6 bis 1,0 mm. Für Modul 8 1,2 bis 2,0 mm. Die in der Studie empfohlenen Bedingungen für Zahnradgrößen m_n=14 bis 20 mm: SHD400 bei 0,15–0,25 × m_n, ungefähr gleich auf der linken und rechten Flanke, Oberflächenhärte 650–750 HV, keine Härtungsrisse.

Eine verwandte Zahl aus derselben Studie ist wissenswert, wenn Sie eine ermüdungskritische Anwendung haben: Die kugelgestrahlte Variante erreichte eine nominelle Biegespannungszahl von fast 600 N/mm², etwa 30 Prozent höher als die ungestrahlte Referenz und höher als der einsatzgehärtete Vergleich. Kugelstrahlen erzeugt eine Druckeigenspannung und funktioniert.

Im Gegensatz dazu bewertet ISO 6336-5 oberflächengehärtete Zahnräder für die maximal zulässige Beanspruchung etwa 20 Prozent unter den einsatzgehärteten Zahnrädern. Das Aufkohlen übertrifft immer noch die Rohleistung – Induktionshärten plus Kugelstrahlen schließt die Lücke bei geringeren Kosten.

Nitrieren - hart, dünn und kaum verzogen

Beim Nitrieren diffundiert Stickstoff typischerweise bei niedriger Temperatur in die Oberfläche520 Grad (Bodycote). Kein Quench, keine Phasenumwandlung, minimale Verzerrung.

Die Schicht besteht aus zwei Zonen: einer zusammengesetzten „weißen“ Schicht, die „hohe Beständigkeit gegen Verschleiß, Abrieb, Abrieb und Festfressen“ bietet, und eine darunter liegende Diffusionsschicht, die für „verbesserte Ermüdungsfestigkeit“ sorgt und die Verbundschicht stützt.

Zwei Randbedingungen entscheiden darüber, ob Nitrieren für Sie in Frage kommt:

Material.Es ist „am effektivsten, wenn es auf eine Reihe von Stählen angewendet wird, die nitridbildende Elemente wie Chrom, Molybdän, Vanadium und Aluminium enthalten.“ Alle Eisenwerkstoffe können bis zu 5 % Chrom gasnitriert werden; darüber hinaus Plasmanitrieren. Kritisch für einfachen Kohlenstoffstahl: „Aufgrund des Fehlens von Legierungselementen reagiert AISI 1045-Stahl nicht auf den Nitrierprozess“ (AZoM). Wenn Ihr Rack aus C45 besteht, ist Nitrieren keine Option.

Gehäusetiefe.Nitrierte Gehäuse sind dünn. Für 38CrMoAl, eine spezielle Nitriersorte, liegen die veröffentlichten Werte bei 900–1100 HV (~65–70 HRC), mit einem Fall von nur0,3–0,6 mm.

Dieses dünne Gehäuse ist die Einschränkung. Unter starker Hertz'scher Kontaktspannung kann es bei einer dünnen harten Schicht über einem weicheren Substrat zu einer Fallzerkleinerung kommen -, die Schicht kollabiert in den darunter liegenden Kern. Nitrieren eignet sich für Gestelle, bei denen Verschleiß und Abrieb vorherrschen, die Kontaktspannung moderat ist und bei denen die Verformung minimal sein darf, da das Gestell bereits fertiggeschliffen ist.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, muss das Material vor dem Nitrieren gehärtet und angelassen werden.

Wählen

FAQ

Sind 60 HRC besser als 50 HRC auf einem Rack?

Nicht automatisch. Höhere Härte bedeutet bessere Verschleißfestigkeit und schlechtere Zähigkeit. Eine Zahnstange mit 60 HRC splittert bei einer stoßbelasteten Anwendung Zähne ab, die eine Zahnstange mit 50 HRC überstehen würde. Passen Sie die Härte an den Fehlermodus an, für den Sie entwerfen.

Kann ich ein C45-Rack nach der Bearbeitung der Montagelöcher induktionshärten?

Das ist möglich, aber die Verzerrung wirkt sich auf die Position und Ebenheit der Löcher sowie auf die Zahnteilung aus. Standardmäßig werden Sekundäroperationen an induktionsgehärteten Gestellen vermieden. Zuerst bearbeiten, dann härten.

Warum hat meine gehärtete Zahnstange eine schlechtere Spielkonsistenz als die weiche Zahnstange, die sie ersetzt hat?

Mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit eine Verhärtungsverzerrung, wenn die Zähne nicht nachträglich beschliffen wurden. Der veröffentlichte Steigungsfehler für induktionsgehärtete, nicht-geschliffene Zahnstangen beträgt etwa ±0,200 mm/m gegenüber ±0,150 mm/m für eine weiche Zahnstange. - Die gehärtete Zahnstange ist tatsächlich weniger genau.

Welche Härte sollte das Ritzel im Verhältnis zur Zahnstange haben?

Gleich oder härter. Da das Ritzel die meisten Zyklen erfährt, sollte seine Härte und Güteklasse immer der der Zahnstange entsprechen oder diese übertreffen. Das Ritzel macht viele Umdrehungen pro Meter Zahnstangenweg, sodass Kontaktzyklen viel schneller akkumuliert werden.

Bedeutet eine größere Gehäusetiefe immer eine längere Lebensdauer?

Nein, und die FZG-Daten sind eindeutig: Bei 0,35 × Modul sinkt die Wurzelbiegefestigkeit auf 80 % des Wertes bei 0,15–0,25 × Modul. Eine übermäßige Spezifizierung der Gehäusetiefe kostet Geld und verringert die Festigkeit.

Tianjin OuNaiDa Transmissions Technology betreibt eigene Härtungs- und Schleifanlagen für Zähne und liefert Zahnstangen in den Härtegraden S45C, 42CrMo4 und Einsatz{4}. Nennen Sie uns die Belastung, die Stoßeigenschaften und die angestrebte Genauigkeit, und wir empfehlen Ihnen die Behandlung, anstatt nur die von Ihnen gewünschte Härte anzugeben.

Induktionsgehärtete Zahnstangen, Module M5 bis M8