Systematische Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Stirnrädern* : Teil 1: Grundkörperverzug Translated title: Methodical investigation of distortion biasing parameters during case hardening of spur wheels : Part 1: Base body distortion

Kurzfassung

Hoch belastete Zahnräder werden üblicherweise wärmebehandelt, um den betriebsbedingten Belastungen zu widerstehen. Im Zusammenhang mit Bauteilen des Antriebstrangs, insbesondere Zahnrädern, wird häufig das Verfahren des Einsatzhärtens eingesetzt. Dabei werden verschiedene Verzüge beobachtet, deren Untersuchung im Folgenden dargestellt wird. Als Probekörper dienten schrägverzahnte kleinmodulige Stirnräder. Die Einsatzhärtung wurde in einer Zwei-Kammer-Vakuumanalage vom Typ IPSEN RVTC 224 mittels Niederdruckaufkohlen und Hochdruckgasabschreckung durchgeführt. Die Untersuchungen wurden durch die Anwendung von Design-of-Experiments (DoE)-Methoden unterstützend begleitet. Bezüglich ihres Einflusses auf den Verzug der Zahnräder standen die drei aufeinanderfolgenden Wärmebehandlungsschritte Erwärmen, Aufkohlen und Abschrecken im Fokus der Untersuchungen. Die in den Untersuchungen des Erwärmprozesses variierten Parameter sind der Chargenaufbau, der Wärmeübergangsmechanismus sowie die Temperatur der ersten Haltestufe für den Temperaturausgleich in der Charge. Die in der Aufkohlung variierten Größen sind die Aufkohlungstiefe und der Randkohlenstoffgehalt sowie die Atmosphäre während der Diffusions- und Haltephasen. Das Abschrecken wurde nicht variiert. Die Änderung der Maß- und Formabweichungen durch die Wärmebehandlung wurde durch 3-D-Koordinatenmessung des Grundkörpers und der Verzahnung vor und nach der Wärmebehandlung ermittelt. Die Einflüsse der untersuchten Parameter auf die Maß- und Formänderungen der Zahnräder wurden durch eine Varianzanalyse der Versuchsergebnisse statistisch bewertet und die Signifikanz verifiziert.

Abstract

Typically, high stressed gears are heat treated to satisfy operational demands. Case hardening is a common heat treatment associated with power train components. In the heat treatment process complex distortion takes place, that has been studied in these examinations. Object of the actual investigations were spur wheels with small module. The case hardening was realized utilizing low pressure carburization with subsequent high pressure gas quenching in a heat treatment furnace of industrial proportion. The systematic analysis was guided using design of experiment methods. In strategic focus were the three contributing heat treatment steps heating, carburization and quenching. Heating related factors were the batch design, the heat transfer and the preheating temperature. During carburization the temperature, carburization depth and surface carbon content as well as the atmosphere were altered. Finally no quenching related variations were performed. The identified main factors on size as well as on shape changes of the base body and the toothing will be presented and discussed. The influences of the different parameters on the size and shape changes of the gear wheels were evaluated statistically.