Kurzfassung
Härte und Korngröße von Zahnrädern aus hochreinen Zahnradstählen nach Einsatzhärtung und Kugelstrahlen wurden im Rahmen eines Forschungsprojekts untersucht, dessen Schwerpunkt auf der Bestimmung der Zahnfußtragfähigkeit von einsatzgehärteten, kugelgestrahlten Zahnrädern lag. Die häufigste Versagensart bei diesen hochfesten Zahnrädern ist der Zahnfußbruch, der durch eine Rissinitiierung unterhalb der Oberfläche an einem nicht-metallischen Einschluss verursacht wird (Bruchlinsenversagen, im Englischen: Fisheye failure). Neben solchen Einschlüssen sind auch die Härte und die Abschreckkorngröße dafür bekannt, dass sie einen erheblichen Einfluss auf die Tragfähigkeit eines Zahnrades haben. Um sicherzustellen, dass in diesem Forschungsprojekt ausschließlich der Einfluss von nicht-metallischen Einschlüssen untersucht wird, mussten mögliche Quereinflüsse ausgeschlossen, minimiert oder zumindest bekannt sein. Nach einem ungeeigneten Einsatzhärtungsprozess erreichen Zahnräder jedoch nicht die härtebezogenen Spezifikationen, oder Zahnräder aus Zahnradstählen mit hoher Feinkornstabilität können Mengen an gröberen Körnern enthalten. Daher wurden Einsatzhärtungsparameter abgeleitet und überprüft, ob sie zu den für einsatzgehärtete Zahnradstähle geforderten Korngrößen- und Härtespezifikationen nach ISO 6336 führen. Weiterhin wurde untersucht, wie sich ein reduzierter Aluminiumgehalt bei resultierenden höheren Reinheitsgrad, d. h. kompensiert durch eine Nioblegierung zur Erhaltung der Feinkornstabilität, auf die Korngröße nach dem Einsatzhärten auswirkt.
Abstract
Hardness and grain size of gears made out of ultra-clean gear steels after case-hardening and shot-peening were investigated within the framework of a research project, which had as main focus the determination of the tooth root bending strength of case-hardened, shot-peened gears. The most common type of failure encountered within these high-strength gears is tooth root breakage caused by a crack initiation below the surface at a non-metallic inclusion (fisheye failure). In addition to such inclusions, hardness and grain size after quenching are also well-known for having a considerable influence on a gear’s load carrying capacity. To ensure that this research project solely investigated the influence of non-metallic inclusions, any cross-influences had to be excluded, minimized, or at least known. However, following an inappropriate case-hardening process, gears do not reach the hardness-related specifications, or gears made out of gear steels with high fine-grain stability can contain quantities of coarser grains. Therefore, case-hardening parameters were derived and it was verified whether they led to the grain size- and hardness-related specifications required for case-hardened gear steels as per ISO 6336. Furthermore, it was investigated how a reduced aluminum content with respect to an increased degree of cleanliness, i. e., compensated by niobium alloying in order to maintain finegrain stability, affects the grain size after case-hardening.
Acknowledgments
The underlying research work [17] was funded in equal proportions by the Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF) (A 305 / S 0024/10235/16) and the Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA). The results presented in this paper were taken from the FVA research project 293 IV “Späte Zahnfußbrüche/ Reinheitsgrad II” [17]. More detailed information on the influence of non-metallic inclusions, especially in the very high cycle range, is given in the final report.
Danksagung
Das zugrundeliegende Forschungsvorhaben [17] wurde zu gleichen Teilen von der Forschungsvereinigung der Arbeitsgemein schaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF) gefördert (A 305 / S 0024/10235/16) und der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA). Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse stammen aus dem FVA-Forschungsprojekt 293 IV „Späte Zahnfußbrüche/ Reinheitsgrad II“ [17]. Ausführlichere Informationen über den Einfluss nicht-metallischer Einschlüsse, insbesondere im Bereich hoher Lastspielzahlen, sind im Abschlussbericht enthalten.
References
1 Fuchs, D.; Rommel, S.; Tobie, T.; Stahl, K.; Blum, T.: Influence of Heating Rate and Soaking Temperature during Case-Hardening on the Hardness and Grain Size of Ultra-Clean Gear Steels. HTM J. Heat Treatm. Mat. 76 (2021) 5, pp. 321–339, DOI:10.1515/htm-2021-01110.1515/htm-2021-011Search in Google Scholar
2 ISO 6335-5:2016-08: Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern – Teil 5: Festigkeit und Werkstoffqualitäten. Beuth Verlag, Berlin, 2016Search in Google Scholar
3 Hippenstiel, F.: Mikrolegierte Einsatzstähle als massgeschneiderte Werkstofflösung zur Hochtemperaturaufkohlung von Getriebekomponenten. Dissertation, RWTH Aachen, 2001Search in Google Scholar
4 Niemann, G.; Winter, H.: Maschinenelemente: Band 2: Getriebe allgemein, Zahnradgetriebe – Grundlagen, Stirnradgetriebe, 2. Aufl., Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 2003. – ISBN: 978366211874010.1007/978-3-662-11873-3_2Search in Google Scholar
5 Börnecke, K.: Grundlagenversuche zur Ermittlung der richtigen Härtetiefe bei Wälz- und Biegebeanspruchungen, Heft 8, FVA, Frankfurt, 1976Search in Google Scholar
6 Tobie, T.; Oster, P.; Höhn, B.-R.: Härtetiefe-Großzahnräder – Einfluss der Einsatzhärtetiefe auf die Grübchen und Zahnfußtragfähigkeit großer Zahnräder, Heft 271, FVA 622, Frankfurt, 2001Search in Google Scholar
7 Funatani, K.: Einfluß von Einsatzhärtungstiefe und Kernhärte auf die Biegedauerfestigkeit von aufgekohlten Zahnrädern. HTM Härterei-Technische Mitteilungen 25 (1970) 2, pp. 92–98Search in Google Scholar
8 Mallener, H.; Schulz, M.: Wärmebehandlung von Zahnrädern. Proc. AWT Tagung Randschichtermüdung im Wälzkontakt, 06.–07.05.1992, Suhl, AWT, Bremen, 1992, pp. 93–110Search in Google Scholar
9 Flesch, R.; Spitzer, H.; Bleck, W.: Korngrößeneinfluss auf die Eigenschaften von Einsatzstählen – Feinkornstabilität bei erhöhten Aufkohlungstemperaturen: Feinkornsthl – Literaturrecherche. FVA, Frankfurt a. M., 1998Search in Google Scholar
10 Kleemaier, R.; Michelitsch, M.; Kneissl, A.; Jeglitsch, F.: Auflösung von Ausscheidungen und Austenitkornwachstum beim Austenitisieren mikrolegierter Baustähle. Practical Metallography 26 (1989) 5, pp. 248–260, DOI:10.1515/pm-1989-26050510.1515/pm-1989-260505Search in Google Scholar
11 Hochfellner, R.: Einfluss einer thermischen Vorbehandlung und von Mikrolegierungselementen auf die Eigenschaften von un- und niedriglegierten Stählen. Diplomarbeit, Montanuniversität Leoben, 2007Search in Google Scholar
12 Klenke, K.; Kohlmann, R.: Einsatzstähle in ihrer Feinkornbeständigkeit, heute und morgen. HTM J. Heat Treatm. Mat. 60 (2005) 5, pp. 260–270, DOI:10.3139/105.10034810.3139/105.100348Search in Google Scholar
13 Klenke, K.; Kohlmann, R.; Reinhold, P.; Schweinebraten, W.: Kornwachstumsverhalten des Einsatzstahles 20NiMoCr6-5 + Nb (VW 4521 + Nb) für Getriebeteile beim Hochtemperaturaufkohlen. HTM J. Heat Treatm. Mat. 63 (2008) 5, pp. 265–275, DOI:10.3139/105.10046810.3139/105.100468Search in Google Scholar
14 Sharma M, Kripak G, Prahl U.; Clausen, B.: Al-freier Einsatzstahl : Aluminiumfreier, niobstabilisierter Einsatzstahl für den Großgetriebebau : Abschlussbericht; Forschungsvorhaben Nr. 713 I, Heft 1275, FVA, Frankfurt, 2018Search in Google Scholar
15 DIN EN ISO 643:2020-06: Stahl – Mikrophotographische Bestimmung der erkennbaren Korngröße. Beuth Verlag, Berlin, 2020Search in Google Scholar
16 ISO 10474:2013-07: Stahl und Stahlerzeugnisse – Prüfbescheinigungen. Beuth Verlag, Berlin, 2013Search in Google Scholar
17 Fuchs, D.; Tobie, T.; Stahl, K.: Untersuchungen zum Fehlstellenversagen an Zahnrädern und deren Einfluss auf die Zahnradtragfähigkeit, Forschungsvorhaben 293 IV, FVA, Frankfurt, 2021Search in Google Scholar
18 Schurer, S.: Einfluss nicht-metallischer Einschlüsse in hochreinen Werkstoffen auf die Zahnfußtragfähigkeit. Dissertation, TU München, 2016Search in Google Scholar
19 Bretl, N. T.: Einflüsse auf die Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder im Bereich hoher Lastspielzahlen. Dissertation, TU München, 2010Search in Google Scholar
20 Stenico, A.: Werkstoffmechanische Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder. Dissertation, TU München, 2007Search in Google Scholar
21 Fuchs, D.; Schurer, S.; Tobie, T.; Stahl, K.: Investigations into non-metallic inclusion crack area characteristics relevant for tooth root fracture damages of case carburised and shot-peened high strength gears of different sizes made of high-quality steels. Forschung im Ingenieurwesen 83 (2019), DOI:10.1007/s10010-019-00324-x10.1007/s10010-019-00324-xSearch in Google Scholar
22 Bretl, N. T.; Schurer, S.; Tobie, T.; Höhn, B.: Investigations on Tooth Root Bending Strength of Case Hardened Gears in the Range of High Cycle Fatigue. Technical Paper 13FTM09, AGMA, Alexandria, VA, USA, 2013Search in Google Scholar
23 Winkler, K. J.; Schurer, S.; Tobie, T.; Stahl, K.: Investigations on the tooth root bending strength and the fatigue fracture characteristics of case-carburized and shotpeened gears of different sizes. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science 233 (2019) 21–22, pp. 7338–7349, DOI:10.1177/095440621984165010.1177/0954406219841650Search in Google Scholar
24 Fuchs, D.; Schurer, S.; Tobie, T.; Stahl, K.: On the determination of the bending fatigue strength in and above the very high cycle fatigue regime of shot-peened gears. Forschung im Ingenieurwesen (2021), DOI:10.1007/s10010-021-00499-2,openaccess10.1007/s10010-021-00499-2,openaccessSearch in Google Scholar
25 DIN EN ISO 683-3: 2019-04: Heat-treatable steels, alloy steels and free-cutting steels – Part 3: Case-hardening steels. Beuth Verlag, Berlin, 2019Search in Google Scholar
26 ISO 4967:2013-07: Steel – Determination of content of non-metallic inclusions – Micrographic method using standard diagrams. Beuth Verlag, Berlin, 2013Search in Google Scholar
27 DIN EN ISO 18265:2014: Metallic materials – Conversion of hardness values. Beuth Verlag, Berlin, 2014Search in Google Scholar
28 Güntner, C.: Härtbarkeit Großzahnräder: Einflüsse aus Baugröße, Härtbarkeit und Einsatzhärtungstiefe und deren Gesamtwirkung auf die Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Stirnräder größerer Baugröße. FVA, Forschungsvorhaben 740 I, Frankfurt a. M., 2018Search in Google Scholar
29 Thieme, L.: PixelFerber – imaging software. https://www.pixelferber.de/ 2021Search in Google Scholar
30 ISO 6336:1-5: Calculation of load capacity of spur and helical gears. Beuth Verlag, Berlin, 2019Search in Google Scholar
31 Fuchs, D.; Güntner, C.; Tobie, T.; Stahl, K.: Suitable material selection for large size cylindrical gears. HTM J. Heat Treatm. Mat. 76 (2021) 1, pp. 19–35, DOI:10.1515/htm-2020-000210.1515/htm-2020-0002Search in Google Scholar
© 2022 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, Germany
