Bend Straightening of a Carbonitrided Gear Shaft – Consequences on Residual Stresses and Retained Austenite near the Surface* Translated title: Biegerichten einer carbonitrierten Getriebewelle – Auswirkungen auf randnahe Eigenspannungen und Restaustenitgehalte

Abstract

Carbonitriding of shafts in drive technology is strongly connected with distortion. Bend straightening is an important process step in order to eliminate distortion without removing the hardened surface layer. As shown in several investigations, even for simple part geometries, bending induced stresses and plastic deformations have a strong impact not only on the residual stress state but also on the microstructure after straightening. As gear shafts become increasingly filigree and complex in their geometry, the components state after straightening is only understood in rare cases. Due to indispensable, function based notches as well as changes in the cross section, these effects will occur especially in areas of small cross sections or notches in conjunction with high bending stresses. It is the objective of this work, to characterize these critical areas with respect to the distribution of residual stresses and retained austenite along the circumference as well as in the in-depth direction. Therefore, the measured distributions of residual stresses, integral width values and retained austenite near the surface will be presented and discussed. For this purpose a carbonitrided gear shaft taken out of a large production volume was investigated before and after a commonly used straightening operation.

Kurzfassung

In der Antriebstechnik stellt das Biegerichten nach der Einsatzhärtung von Wellen einen wichtigen Prozessschritt dar, um den oftmals unvermeidlichen Verzug zu beseitigen und gleichzeitig die harte Randschicht des Bauteils zu erhalten. Wie bereits in einigen Untersuchungen dargestellt wurde, beeinflussen die beim Richten vorliegenden Spannungen und die daraus resultierenden plastischen Deformationen sowohl den Eigenspannungszustand als auch die Mikrostruktur schon bei geometrisch simplen Bauteilen. Für die zunehmend filigranen und in ihrer Geometrie komplexen Wellen ist der Zustand nach dem Richten jedoch nur in seltenen Fällen bekannt und nachvollziehbar. Bei einer Welle, die konstruktiv notwendige Querschnittsänderungen oder auch Kerben aufweist, werden die genannten Effekte dort auftreten, wo Bereiche mit geringem Querschnitt und solche mit hohen Lastspannungen durch den Richtprozess zusammenfallen. Ziel dieser Arbeit ist es, diese kritischen Bereiche im Hinblick auf die Verteilung von Eigenspannungen und Restaustenit, sowohl entlang des Umfangs als auch in Tiefenrichtung, detailliert zu charakterisieren, um ein besseres Verständnis für den Zustand gerichteter Wellen zu gewinnen. Dazu werden die ermittelten randnahen Eigenspannungsverläufe und die Verteilungen der Integralbreiten sowie der Restaustenitgehalte am Beispiel einer in großer Stückzahl hergestellten Getriebewelle vor und nach einem praxisüblichen Richtprozess vorgestellt und diskutiert.