Verfestigungsgestrahlte Zahnräder

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1 940 Verfestigungsgesuahlte Zahnräder Bei gestrahlten hochfesten Werkstotfzustanden kann die Bildung und Aubbreitung lebensdauerbejtimmender Anrisse bei Biegewechselbeanbpruchung von glatten ~ e - doch kaum von gekerbten) Fiachproben unter der Oberitache erfolgen. Dann ist der gesamte Tiefenverlauf der Druckeigenspannungen für die beim Strahlen erreichbaren Steigerungen der Lebensdauer bzw. Dauerfestigkeit maßgebend, die nach dem Konzept der ortlichen Dauerfestigkeit zu ermitteln sind (vgl. z. B. [37]). Schließt man Unteroberflächenanrisse aus, so kann abschließend festgestellt werden. daß bei gestrahlten harten Werkstoffzuständen die in der Randschicht vorliegenden Druckeigenspannungen aufgrund ihrer Stabilität einen dominierenden Einfluß auf die Lebensdauer- bzw. Dauerfestigkeitszunahme haben. Strahlbedingte Veroder Entfestigungsprozesse spielen dabei eine untergeordnete Rolle. Eine anwachsende Rauhigkeit verschlechtert allerdings das Schwingfestigkeitsverhalten aufgrund einer erleichterten Annßbildung. Mit abnehmender Werkstoffhärte werden jedoch die Strahieigenspannungen bei der Schwingbeanspruchung mehr und mehr abgebaut und,ihre Wirkung auf das Rißausbreitungsgeschehen vermindert. Die trotzdem zu beobachtenden Steigerungen der Lebensdauer bzw. Dauerfestigkeit sind dabei überwiegend auf die strahlbedingte Randschichtverfestigung zurückzuführen, die anrißbildungshemmend wirkt. Das Versagensverhalten wird mit abnehmender Härte durch die Mikrokerb\virkung vorliegender Rauhigkeiten immer weniger beeinflußt. Um das Schwingfesrigkeitsverhalten glatter und gekerbter Proben zu optimieren. müssen also die oben mitgeteilten Strahlparaineter und die Werkstoffzustände so ausgewählt werden. daß beim Kugelstrahlen hinreichend grodc Verformungen. verbunden mit enrsprechenden L'tr- oder Enrfestigungen sowie großtn und stabilen Druckeigenspanungsbeträgen in einer relativ dicken Randschicht bei kleinster Rauhtiefe auftre~en. D Verfestigungsgestrahlte Zahnräder Von H. Wohlfahrt und 0. Vöhringer D Veränderungen des Ober-ächenzusrands Das Verfestigungssmhlen von vergüteten und einsatzgehiirteien Zahnrädern hat zum Ziel, die Zahnfußdauerfestigkeit (Biegeschwellfestigkeit des Zahnfußes) möglichst weitgehend zu steigern. Zur Auswahl optimaler Strahlbedingungen ist es hilfreich. die durch das Verfesugungsstrahlen bewirkten Veränderungen der Oberfiäche und des Randschichtzustands zu erfassen. Hierzu müssen im schwingbruchkritischen Bereich der Zahnfußausrundung die in Abschn. D genannten Kenngrößen Rauhtiefe Rb Mikrohärte HV nach Vickers, Eigenspannungen aes, Halbwertsbreite der Röntgeninterferenzlinien HWB und Restaustenitgehalt RA vor und nach dem Verfestigungssmhlen bestimmt werden. Die in Tabelle D eingetragenen Oberflächenwene dieser Kenngrößen und die in Bild D dargestellten Tiefenverläufe der Kenngroßen aus Untersuchungen von [ können als Beispiel für die bei einsatzgehärteten Zahnrädern (Modul 5, Werkstoff 16MnCr5) durch Verfestigungsstrahlen erzielbaren Veränderungen des Oberflächen- und Randschichtzustands dienen. Es wird ersichtlich, daß aufgrund der Oberflächenwerte keine hinreichende

2 VerfestigungsgestrahIte Zahnräder 94 1 Differenzierung des bei unterschiedlichen Strahlbedingungen in oberflächennahen Schichten erzeugten unterschiedlichen Werkstoffzustands möglich ist. Die Tiefenverläufe der in Bild D aufgezeichneten Kenngrößen gestatten allerdings eine eindeutize Unterscheidung verschiedener Strahlzustände. Tabelle D Meßwerte für verschiedene Oberflächenkenngrößen und Ergebnisse der Dauerschwingversuche für ungestrahlte sowie unterschiedliche gestrahlte Zahnräder aus Stahl 16MnCr5 mit Modul 5 Kugelstrahlbehandlung Zahnräder. Modul 5 / keine /I56 I S HRc. / / vab = 81 rnls, Ü = lfach A2 = 0.47 mm S HRc, 6,4 bar. Ü = 3fach I + Glasperlen d = 120prn. p = 1 bar I vab = 73 m/s, Ü = lfach, A2 = 0.72 mm rres Umiangseigenspannungen. HWB Halbwertsbreite der Röntgeninterferenzlinien. HV! Vickershhe mit 3 kg Belastung, R, Rauhtiefe. R, arithmetischer Mittenrauhwert, RA Restaustenitgehait, ab SC^,,,. = Biegeschwellfestigkeit ermittelt als 50%ige Überlebenswahrscheiniich- keit bei einer Grenzlastspielzahl von 5. lob. S230 Strahlrnittel mit d = 0,58 mm Nennkorndurchmesser, S 330 Strahlmittel d = 0.73 rnm Nennkomdurchrnesser, HRC Rockwellhärte. V* Abwurfgeschwindigkeit des Strahlmittels vom Schleuderrad, p Strahldruck, Ü Überdeckungsgrad, A2 Almenintensität Die Zahnräder waren praxisüblich gasaufgekohlt (9 h bei 940 C in Endogas, Abkühlung auf 830" und 1 h Halten) und einsatzgehärtet (Abschrecken in Öl von 60 C, 1,5 h Anlassen bei 170 C. Randkohlenstoffgehalt 0,80 bis 0,85 Masse %. EhrHviiso 2 1 rnrn). Die Härte- und Halbwertsbreitenwerte der unge-

3 942 Verfestigungsgestrahlte Zahnräder Abstand von der Oberfläche in mrn Bild D a Eigenspannungen, b Hrilbwertsbreiten der Röntgeninterferenzlinien. C Kleinlasthärte HV 0.3 und d Restaustenitgehalte als Funktion des Abstands von der Obeiiläche für einsatzgehärtete und unterschiedlich verfestigungsgesuahlte Zahnräder aus dem Stahl 16MnCr5. Modul m = 5, S330 = Strahlmittel mit 0,73 mm Nennkorndurchrnesser, S230 = Strahlmittel mit 0,58 rnm Nennkomdurchmesser, v,h Abwurfgeschwindigkeit des Strahlmittels vom Schleuderrad, Ü Überdeckungsgrad, p Strahldruck. I ungestrahlt. 2 gestrahlt: S HRC. v,h = 73 m/s, Ü = I -fach. 3 S HRC. v,h = 8 I m/s. Ü = I -fach. 4 S230, HRC. p = 6.4 bar, Ü = 3-fach und Glasperlen 120 Pm. p = I bar strahlten Zahnräder sind an der Oberfläche kleiner als in etwas tieferen Schichten, was auf eine Randschichtschädigung durch Randoxidation und Randentkohlung bei der Wärmebehandlung zurückzuführen ist. Die Härte und die Halbwertsbreite steizt innerhalb einer Schicht von etwa 0.03 mm auf Werte an, die in größeren Obertlächenabständen konstant bleiben (Bild D ~ und b). Nach allen angewandten Kugelstrahlbehandlungen nehmen die Oberflächenwerte von Härte und Halbwensbreite zu. Sie erreichen jedoch nicht die in tieferen Schichten etwa konstanten Werte dieser Größen. Die wärmebehandlungsbedingte Randschichtschädigung kann durch das Verfestigungsstrahlen offensichtlich gemildert werden. Die sich dabei einstellenden Härte- und Halbwertsbreiten-Tiefenverläufe (Bilder D ~ und b) unterscheiden sich aber noch deutlich von den in Bild D für randschichtschädigungsfreie Teile schematisch aufgezeichneten Tiefenverläufen dieser Größen. Die Einsattelungen in den Tiefenverläufen der Halbwertsbreiten, die gemäß Bild D b bei allen Strahlbedingungen jeweils im Bereich der maximalen Druckeigenspannungswene beobachtet werden, sind typisch für gehärtete und gestrahlte Zustände und auf Versetzungsumlagerungen und eine eventuelle Kohlenstoffdiffusion in diesem Bereich zurückzuführen. Ebenso sind die in Bild D ~ zu erkennenden Härtemaxima

4 Verfestigun~sgestrahlte Zahnrader 943 im Tiefenbereich der Druckeigenspannungsmaximalwerte ein charakteristischer Befund für hinreichend harre kugelgestrahlte Werkstoffe, bei denen sich die erzeugten Druckeigenspannungsbetriige direkt auf die Härte auswirken [ In grö6eren Oberflächenabständen erreicht sowohl die Härte als auch die Halbwertsbreite nach dem Verfestigungsstrahlen etwa die Werte der ungestrahlten Zahnräder. wobei in den Halbwertsbreitenverläufen - analog zu den Eigenspannungsverläufen - deutlich die unterschiedliche Eindringtiefe bei den verschiedenen Strahlbehandlungen zum Ausdruck kommt (Bilder D ~ und b). In den Tiefenverläufen der kugelstrahlinduzienen Druckeigenspannungen macht sich die unterschiedliche Wirksamkeit der verschiedenen Kugelstrahlbehandlungen am deutlichsten bemerkbar. Wie Bild D a zeigt, weist das typische Druckeigenspannungsmaximum unterhalb der Oberfläche nach dem Strahlen mit dem weichen Strahlkorn von 48 bis 32 HRC mit 8 10 MPa einen deutlich geringeren Betrag auf als nach beiden Strahlbehandlungen mit dem härteren Korn (54 bis 58 HRC) mit 1020 bzw MPa. Auch die Tiefenlage der Maxirnalbeträge ist unterschiedlich. Außerdem erreichen nach dem Strahlen mit dem weicheren Strahlmittel die Druckeigenspannungen schon in einer Tiefe < 0.1 mm den Betrag des sich in tieferen Schichten etwa einheitlich einstellenden Eigenspannungspegels, während bei den Strahlbehandlungen mit dem härteren Strahlmittel die Eigenspannungswerte sich erst in Tiefen > 0.1 mm auf diesen Pegel einpendeln. Die Veränderungen im Eigenspannungszustand. die sich bei unterschiedlichen Strahlbehandlungen ergeben. entsprechen damit den in Bild D schematisch zum Ausdmck gebrachten Tendenzen. Es kann festgestellt werden. daß ein dem Strahlgut (620 HV 3) in der Härte angepaßtes Strahlmittel (Härte 54 bis 55 HRC) erforderlich ist. um Beträge und Tiefenverläufe der Druckeigenspannungen zu erzielen. die für das Dauerschwingverhalten als optimal anzusehen sind. Der nach dem Doppelstrahlen ganz besonders große Druckeigenspanungsmaximalwert von 1425 MPa dürfte eher auf den 3fachen Überdeckungsgrad zurückzuführen sein als auf das zusätzlich angewandte Glasperlenstrahlen. Dabei bedeutet 3facher ~berdeckungsgrad eine 3mal so lange Strahldauer wie für praktisch 100%ige (Ifache) 6berdeckung erforderlich. Wie die Ergebnisse der Biegeschwellversuche in Abschn. D zeigen. ist aber durch eine solche kostentrachtige Verlängerung der Strahlzeit nicht unbedingt ein nennenswerter Gewinn an Zahnfußdauerfestigkeit zu erwarten. Wie aus Bild D d hervorgeht, steigen die Restaustenitgehalte beim ungestrahlten Zahnrad von 2 % an der Oberfläche bis auf 36 % in 0,05 bis 0,07 mm Tiefe an und fallen dann innerhalb des untersuchten Tiefenbereichs wieder auf Werte von etwa 13 % ab. Die Strahlbehandlungen führen zu einer verformungsinduzierten Umwandlung des Restaustenits in Martensit, wobei der Maximalwert des Restaustenitgehalts beim Strahlen mit dem härteren Strahlkorn (S 230, 54 bis 58 HRC) in 0,08 mm Tiefe auf 26 % bei einfacher Uberdeckung und auf etwa 15 bis l i % in derselben Tiefe bei dreifacher C'berdeckung abgesenkt wird. Nach dem Strahlen mit dem weicheren, aber größeren Strahlkorn (S bis 52 HRC) beträgt der Restaustenitgehalt in 0,08 bis 0,09 mm Tiefe etwa 20 $70 und bleibt bis in eine Tiefe von 0,25 mm etwa konstant auf diesem Wen. In Tiefen ab etwa 0,3 mm erreichen die Restaustenitwerte der gestrahlten Zahnräder die der ungestrahlten Zahnräder. Man hat davon auszugehen,

5 da5 die beobachteten Eigenspannungs-Tiefenverläufe mit durch die verfomungsinduzierte Restaustenitumwandlung bestimmt sind. Aufgnind der Volumenvergrößemng bei der Umwandlung von Restaustenit in Martensit sind erhöhte Dnickeigenspannungsbetriige zu erwarten. Ein unmittelbarer Einfluß der Restaustenitumwandlung auf die Zahnfußdauerfestigkeit Iäßt sich aus diesen Ergebnissen aber nicht ablesen. D Auswirkungen auf die Schic*in~~estigkeit In Bild D sind die Ergebnisse der Biegeschwellversuche 3n ungestrahltcn und gestrahlten Zahnrädern mit Modul 3. 5 und 8 sowie mit einer Variation im Radius der Zahnfußausrundung in Form eines Blockdiagramms zusammengefaßt. Zusätzlich mit aufgenommen sind die Werte der Biegeschwellfestigkeit, die an Prütkörpem zur Simulation unterschiedlicher Radien an der Zahnfußausrundung gewonnen wurden [40, 4 I]. Deutlich abzulesen ist. daß sowohl bei den Zahnrädern als auch bei den Simulationsproben der Steigeningsbetrag der Biegeschwellfestigkeit in starkem Maße von den Strahlbedinguneen abhängt. Wie auf Grund der Dnickeigenspannungs- 800 spruchung, r =0. Zahnfufls~muiat~onsproben 16MnCr 5. einsatzgehörtet r Biegeschwellbeanspruchung. Eg- r=o Zahnräder, 16 Mn Cr 5, einsotzgehartet ungestrohlt HV3 J gestrahlt HV 3 [d=0,58rnrni~i30~,~ 56HRc,v=ßlrn/s, Ü -1-fach (wenn nicht anders angegeben ) Bild D Biegeschwellfestigkeit einsatzgehärteter und vertestigungsgestrahlter Zahnfußsimulationsproben mit unterschiedlichem Ausrundungsradius r sowie einsatzgehärteter und verfestigungsgestrahlter Mnräder mit unterschiedlichem Modul und unterschiedlichem Radius r der Zahnfußausrundung aus dem Stahl 16MnCr.5. Strahlbehandlung wie angegeben zum Teil unterschiedlich. ar Formzahl, S230 = Strahlmittel mit 0.58 mm Nennkomdurchmesser, S330 = Strahlmittel mit 0.73 mm Nennkomdurchmesser. V Strahlmittelgeschwindigkeit, Ü Überdeckungsgrad, p Strahldruck

6 Verfestigungsgesuahlte Zahnräder 945 Tiefenverläufe (Bild D a) zu erwarten, bringt die Strahlbehandlung mit einem hinreichend harten Strahlmittel (54 bis 58 HRC) eine größere Steigerung der Zahnfußfestigkeit als das Strahlen mit einem im Verhältnis zur Werkstückhärte zu weichen Strahlmittel (48 bis 52 HRC). Die Vergrößerung der Strahlzeit bis zum Erreichen einer dreifachen Überdeckung unter Einschluß einer zusätzlichen Glasperlen- Strahlbehandlung ergibt bei den Zahnrädern keinen nennenswerten weiteren Biegeschwellfestigkeitsgewinn, steigert jedoch die Biegeschwellfestigkeit der Simulationsproben merklich weiter. In Bild D ist ebenfalls deutlich abzulesen, daß die durch Verfestigungsstrahlen maximal erreichbare Biegeschwellfestigkeit jeweils von der Kerbgeometrie und Größe der Teile abhängt. Die Biegeschwellfestigkeitswerte nach dem Verfestigungsstrahlen werden umso größer, je größer der Ausmndungsradius bei den Simulationsproben oder am Zahnfuß ist und je kleiner der Modul der Zahnräder wird. Zum Erzielen optimaler Schwingfestigkeitswerte muß deshalb bei Bauteilen der technischen Praxis, auch wenn ein Verfestigungsstrahlen vorgesehen ist, die Kerbgeomeme z. B. arn Zahnfuß so günstig wie möglich gestaltet werden. Insbesondere gilt dies für wärmebehandelte Teile mit Randentkohlung undjoder Randoxidation. Man muß nämlich annehmen, daß die deutlichen Biegeschwellfestigkeitsunterschiede der verfestigungsgestrahlten Zahnräder und Simulationsproben mit unterschiedlichem Kerbradius zumindest zum Teil auf deren ausgeprägte Randoxidation und Randentkohlung zurückzuführen sind. Eine Vemngerung dieser Schwächung würde eine weitere Steigerung der Schwingfestigkeit vor und nach dem Verfestigungsstrahlen und in Verbindung damit vermutlich auch eine Annahemng der Schwingfestigkeitswerte der gestrahlten Zahnräder bzw. Simulationsproben mit unterschiedlichem Kerbradius bewirken - analog zu der weitgehenden Übereinstimmung der Biegewechselfestigkeit von gekerbten und glatten gehärteten Proben, wie sie in Bild D zum Aus-.- druck kommt und auch von [43, 441 beobachtet wurde. Bei diesen Proben ist werkstoffbedingt (Ck45) oder behandlungsbedingt [43, 441 mit einem geringeren Ausmaß von Randoxidation bzw. Randentkohlung zu rechnen als bei den hier vorgestellten Zahnrädern und Simulationsproben.