7 Zusammenfassung 225

Transkript

1 225 Diese Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Verschleißtragfähigkeit von im Schleudergussverfahren hergestellten Schneckenrädern. Eine detaillierte Untersuchung der Gefügeausbildung in Schneckenrädern aus der Legierung CuSn12Ni4-C-GZ verdeutlicht deren Einfluss auf die in anwendungsnahen Prüfstandsversuchen bestimmte Verschleißtragfähigkeit. Die Ergebnisse der Prüfstandsversuche zeigen, dass die Gefügeausbildung im Schleudergussverfahren hergestellter Schneckenräder einen größeren Einfluss auf die Verschleißtragfähigkeit nehmen kann als ein erhöhter Nickelgehalt oder das Gießverfahren. Weiter zeigt sich eine Einflussnahme der Verschleißtragfähigkeit von Schneckenrädern auf deren Verhalten im Grübchenversuch. Zusätzlich erfolgen Prüfstandsversuche mit Schneckenrädern aus den drei Stranggusslegierungen CuSn12Ni2-C-GC, CuSn12Ni4-C-GC und CuSn12Ni2-C-GCB, um deren Tragfähigkeit zu ermitteln und die Ergebnisse für die Schneckenräder aus der Schleudergusslegierung CuSn12Ni4-C-GZ einzuordnen. Prüfverzahnungen Die Bronzerohlinge für die Schneckenräder der Baugröße mit einem Achsabstand von a = 100 mm werden im Schleuderguss- und Stranggussverfahren hergestellt. In Zusammenarbeit mit den beiden an dieser Arbeit beteiligten Industriepartnern erfolgt eine Dokumentation des Herstellungsprozesses für die Bronzerohlinge aus der Legierung CuSn12Ni4-C-GZ und eine gezielte Variation einzelner Gießparameter, um deren Einfluss auf die Gefügeausbildung beurteilen zu können. Werkstofftechnische Untersuchungen Die Auswahl von Schneckenradrohlingen aus Schleuderguss zum Verzahnen und zur anschließenden Erprobung in anwendungsnahen Prüfstandsversuchen erfolgt auf der Grundlage einer werkstofftechnischen Charakterisierung von Werkstoffproben. Die Auswahl der Schneckenradrohlinge für die Verschleiß-

2 226 versuche findet auf Grund ihrer auffälligen makroskopischen Härte (hoch oder niedrig) und ihrer auffälligen Streuung der Härte im potenziellen Verzahnungsbereich statt. Zusätzlich dienen Werkstoffproben mit tendenziell abweichender Korngröße (groß oder klein) der weiteren Auswahl von Schneckenradrohlingen für die Verschleißversuche. Die Auswahl der Schneckenradrohlinge aus Schleuderguss zur Durchführung von Grübchenversuchen orientiert sich an der Lage der für die Verschleißversuche ausgewählten Rohlinge. Jeweils den gleichen Büchsenabschnitten entnommene Schneckenradrohlinge ermöglichen eine Untersuchung ähnlicher Gefügeausbildungen in beiden Versuchsvarianten. Im Anschluss an die Verschleißversuche finden weiterführende werkstofftechnische Untersuchungen an den Schneckenrädern aus Schleuderguss statt. EDX-Messungen liefern eine mögliche chemische Zusammensetzung der in dieser Arbeit mit δ bezeichneten Phase der Form (Cu+Ni) 31 Sn 8. Mikrohärtemessungen bestätigen eine deutlich höhere Härte der δ-phase (415 HV0,005) im Vergleich zur α-grundmatrix (154 HV0,005). Lichtmikroskopische Aufnahmen von vier gleichmäßig über dem Schneckenradumfang verteilten mittleren Stirnschnitten veranschaulichen ein rotationssymmetrisches Erstarrungsmuster im Gefüge. Die durch einen hohen und einen niedrigen δ-phasenanteil gekennzeichneten Erstarrungsschichten erscheinen in Abhängigkeit von der Herstellungsmethode und den gewählten Gießparametern unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Viskosität der Schmelze während des Gießvorgangs scheint dabei von besonderer Bedeutung für die Ausbildung der Erstarrungsschichten zu sein, sie ist beeinflussbar durch die Gießtemperatur und den Phosphorgehalt: Eine erhöhte Gießtemperatur und ein erhöhter Phosphorgehalt senken die Viskosität der Schmelze und scheinen zu einer schwachen Ausbildung der Erstarrungsschichten zu führen. Weiter ist eine zunehmende Ungleichmäßigkeit des Gefüges mit abnehmender Kokillendrehzahl anzunehmen. Die Korngröße der Schneckenräder unterliegt lokalen Schwankungen innerhalb eines mittleren Stirnschnittes und über dem Schneckenradumfang. Die erfassten mittleren Korngrößen liegen größtenteils zwischen 97 µm und 124 µm und werden als gleichwertig eingestuft. Lediglich für zwei Schneckenräder wird eine tendenziell kleinere mittlere Korngröße von rund 75 µm bestimmt. Die Korngrößenunterschiede im Rahmen der Schnecken-

3 227 radauswahl bestätigen sich nicht. Untersuchungen zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Schneckenräder zeigen einen unterschiedlichen Phosphorgehalt in Abhängigkeit von der Herstellungsmethode und stellen Unterschiede in Schneckenrädern eines Herstellers heraus. Herstellerübergreifend werden Phosphorgehalte von 0,002 % bis 0,138 % erfasst. Prüfstandsversuche (Schneckengetriebe) Eine Untersuchung der Tragfähigkeit ausgewählter Schneckenräder erfolgt in zwei Versuchsvarianten. Verschleißversuche mit einer sehr niedrigen Schneckendrehzahl von n 1 = 60 min -1 untersuchen ein vornehmlich abrasives Verschleißverhalten. In Grübchenversuchen mit einer deutlich höheren Schneckendrehzahl von n 1 = 1500 min -1 wirkt der Schadensmechanismus der Materialermüdung verstärkt, so dass dieser ebenfalls beurteilt werden kann. Die Ergebnisse der Verschleißversuche mit Schneckenrädern aus der Legierung CuSn12Ni4-C-GZ differieren erheblich. Im günstigsten Fall liegt die Verschleißrate über dem kompletten Drehmomentbereich unter m 2 = 10 mg/h. Im Zuge der Laststeigerung wird die Mittenrauheit der Zahnflanken nur geringfügig erhöht, und der Gesamtwirkungsgrad liegt mit rund η ges = 84,0 % konstant hoch. Im Gegensatz dazu ist in Verschleißversuchen mit weiteren Schneckenrädern dieser Legierung ein sprunghafter Anstieg der Verschleißrate auf m 2 > 200 mg/h aufgetreten. In diesen Versuchen steigt die Mittenrauheit auf den Flanken auf bis zu Ra 2 = 5,5 µm an, und es kommt zu einem Bronzeübertrag auf die Schneckenwellenflanke. Die beschriebene Schädigung der Verzahnung führt zu Gesamtwirkungsgraden η ges < 70,0 %. Das abweichende Verschleißverhalten dieser Schneckenräder ist mit einem unterschiedlichen δ-phasenanteil im Verzahnungsbereich zu begründen: Ein höherer mittlerer δ-phasenanteil führt zu einem günstigeren Verschleißverhalten. Weiterführende Untersuchungen schließen eine Einflussnahme der Schneckenhärte und der Mittenrauheit der Schneckenwellenflanken im Neuzustand auf das unterschiedliche Verschleißverhalten der Schneckenräder aus.

4 228 Die Ergebnisse der Verschleißversuche mit den drei Stranggusslegierungen CuSn12Ni2-C-GC, CuSn12Ni4-C-GC und CuSn12Ni2-C-GCB liegen innerhalb eines Streubandes, das durch die Versuchsergebnisse für die Schleudergusslegierung aufgespannt ist. Der erhöhte Nickelgehalt der Legierung CuSn12Ni4-C-GC führt bei höheren Lasten zu einem günstigeren Verschleißverhalten im Vergleich zur konventionellen Stranggusslegierung mit einem Nickelgehalt von 2 %. Die feinkörnige Legierung CuSn12Ni2-C-GCB hebt sich nochmals positiv von der Legierung CuSn12Ni4-C-GC ab und zeigt über dem kompletten Drehmomentbereich das günstigste Verschleißverhalten der Stranggusslegierungen. Auf Grundlage der vorliegenden Ergebnisse aus früheren Forschungsarbeiten ist eine eingeschränkte Bewertung eines erhöhten Nickelanteils auf die Tragfähigkeit von im Schleudergussverfahren hergestellten Schneckenrädern möglich. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Auswirkungen unterschiedlicher Gefügeausbildungen auf die Verschleißtragfähigkeit in der vorliegenden Arbeit erstmalig berücksichtigt werden. Legierungsspezifische Mittelwerte der Verschleißraten aus Versuchen mit Schneckenrädern, deren Rohlinge ohne eine gezielte Variation der Gießparameter gegossen wurden, ergeben eine um den Faktor 3,4 niedrigere Verschleißrate im Nenndrehmomentbereich für die Legierung CuSn12Ni4-C-GZ im Vergleich zur gegenwärtig konventionellen Schleudergusslegierung CuSn12Ni2-C-GZ. Die durchgeführten Grübchenversuche zeigen für Schneckenräder aus der konventionellen Stranggusslegierung CuSn12Ni2-C-GC das schlechteste Laufverhalten. In den entsprechenden Versuchen sind frühzeitig starke Grübchenschädigungen zu beobachten, die im weiteren Versuchsablauf zu den größten maximalen Grübchenschädigungen führen. Zusätzlich treten infolge starker, abrasiver Verschleißerscheinungen spätestens nach N L = 6,6 Mio. Lastwechseln Zahnbrüche auf, die zum Versuchsabbruch führen. Ein Vergleich der Schadensentwicklung auf den Schneckenrädern aus den Legierungen CuSn12Ni2-C-GC und CuSn12Ni2-C-GCB verdeutlicht eine längere Lebensdauer der Schneckenräder aus der Legierung CuSn12Ni2-C-GCB mit erhöhter Verschleißtragfähigkeit. Ein Versuch bis zur Lastwechselzahl N L = 22,0 Mio. mit einem Schneckenrad aus CuSn12Ni2-C-GCB führt nicht zum Zahnbruch. Ein Vergleich zwischen zwei Schneckenrädern aus der Legierung

5 229 CuSn12Ni4-C-GZ mit unterschiedlicher Verschleißtragfähigkeit zeigt eine höhere maximale Grübchenschädigung auf den Flanken des Schneckenrades mit höherer Verschleißtragfähigkeit. Dieses Ergebnis führt zu der These, dass ein schwächer wirkender abrasiver Verschleiß ein Ausheilen der Grübchenschädigung in Form einer Zahndickenabnahme verzögert. Weiter lassen die stärker ausgeprägten Verschleißerscheinungen am Schneckenrad mit der geringeren Verschleißtragfähigkeit eine kürzere Lebensdauer für dieses Schneckenrad vermuten. Erweiterung der Tragfähigkeitsberechnung Die in den Prüfstandsversuchen ermittelten Ergebnisse ermöglichen das Aufstellen eines Erweiterungsvorschlages für das gegenwärtige Verfahren zur Berechnung der Verschleißtragfähigkeit von Schneckengetrieben. Die Versuchsergebnisse für Schneckenräder, deren Herstellung ohne eine gezielte Variation der Gießparameter erfolgte, liefern Materialkenngrößen für die Legierung CuSn12Ni4-C-GZ. Die aus den experimentellen Prüfstandsversuchen resultierenden Verläufe für die Verschleißrate und den Gesamtwirkungsgrad liegen deutlich günstiger als die nach gegenwärtig gültiger Norm bestimmten Werte für die Verschleißrate und den Gesamtwirkungsgrad für die Standard-Schleudergusslegierung CuSn12Ni2-C-GZ. Zusätzlich liefert der neu eingeführte Werkstoff-Gefügefaktor W G die Möglichkeit, den Einfluss des mittleren δ-phasenanteils innerhalb des Schneckenradgefüges auf die Verschleißtragfähigkeit zu berücksichtigen. Die Gültigkeit dieses Berechnungsansatzes ist auf die aus einer Herstellungsmethode resultierende Erscheinungsform der δ-phase beschränkt. Das Berechnungsverfahren zur Berücksichtigung der Gefügeausbildung sollte daher durch weiterführende Untersuchungen abgesichert und erweitert werden. Der in der gegenwärtigen Norm zur Berechnung der Grübchentragfähigkeit enthaltene Berechnungsansatz kann bezüglich der auftretenden Lebensdauerphasen bestätigt werden. Die durchgeführten Prüfstandsversuche erlauben eine qualitative Berücksichtigung der Einflussnahme des Schneckenradwerkstoffes auf die Schadensentwicklung und die Lebensdauer des Schneckenrades.