Schlüsselwort: Distortion

In der Dissertationsschrift wurde das Verzugsverhalten von Antriebskegelrädern unter Serienbedingungen untersucht. Ziel war es, innerhalb einer Serienfertigung, die für den untersuchten Einsatzstahl 20MnCrS5 ein enges Härtbarkeitsstreuband vorgibt und gleichzeitig den Vorlaufprozess anwendet sowie standardisierten Prozessen unterliegt, noch verbleibende Einflussgrößen zu identifizieren. Unter Beachtung der Erkenntnisse des Sonderforschungsbereichs SFB 570 „Distortion Engineering“ wurden dabei einzelne Einflussgrößen wie das Stahlwerk und die Schmiede konstant gehalten, um den Fokus auf die nachgelagerte Fertigungskette legen zu können. Die betrachteten Einflussgrößen waren die Geometrie, in Form von zwei unterschiedlichen Baugrößen, die chemische Zusammensetzung gemäß Schmelzenanalyse beziehungsweise die daraus berechnete Härtbarkeit, die Rostposition im Ofen, die Einsatzhärtungstiefe, der Randkohlenstoffgehalt und die Erwärmgeschwindigkeit. Innerhalb des Serieneinsatzhärtung mit Ölabschreckung wurde der Bauteiltyp, also geometrische Unterschiede, als eine signifikante und relevante Einflussgröße auf die Formänderungen identifiziert. In weiteren Untersuchungen zeigte sich, dass die Einsatzhärtungstiefe signifikant die Maßund Formänderungen der Kegelradverzahnung beeinflusst. Der Randkohlenstoffgehalt zeigte keine Einflussnahme auf den Verzug. Im Serienprozess konnten weitere Einflüsse aufgrund der vorliegenden Störgrößen zunächst nicht nachgewiesen werden. Bei dem Teilschritt Abschrecken konnte durch den Einbau von Lochblechen im Abschreckbad die Ölströmung und damit die Abschreckwirkung am Bauteil im Abschreckkanal homogenisiert und die Streuung des Verzugs reduziert werden. Neben der Homogenität der Ölströmung wurden auch Eigenspannungen am Rohteil als eindeutige Störgröße herausgestellt, die maßgeblich die Streuung der Formänderungen erhöhen. Durch Minimierung dieser Störgröße konnte die Rostposition als weitere Einflussgröße bestimmt werden. Bei der Einzelbetrachtung des Verzugs über den Bauteilumfang wurde in allen Untersuchungen eine charakteristische Entwicklung der Spiralwinkeländerung sichtbar. Diese Charakteristik kann als ein kontinuierlicher Formänderungsverlauf mit einem Maximum und einem Minimum über den Umfang beschrieben werden und lag abhängig von der Einsatzhärtungsversuchsreihe mit unterschiedlich starker Ausprägung vor. Durch das Spannungsarmglühen sowie bei einer langsamen Erwärmung wurde das Ausmaß des Maximums und Miniums merklich reduziert. Dies verdeutlichte, dass eine Überlagerung von Eigenspannungen am Rohteil und thermisch induzierten Spannungen diesen inhomogenen Verzug während der Erwärmung hervorrufen. Für mögliche zusätzliche Einflussgrößen liegen Indizien vor, die im Weiteren zu überprüfen sind. Als Nebenerkenntnis wurde deutlich, dass der aktuelle Rohteilanlieferungszustand für eine langsame Erwärmung ungeeignet ist. Die langsame Erwärmung und ein langes Verweilen im Zweiphasengebiet führte zu Misch- und teilweise Grobkorn, deren festigkeitsmindernde Wirkung durch eine abfallende Kerbschlagbiegearbeit nachgewiesen wurde. Derzeitig werden maßgeblich nicht abgeschlossene Aluminiumnitridausscheidung als Hauptursache ausgemacht. Ferner wurde die im Lieferschein angegebene chemische Zusammensetzung und die daraus berechnete Härtbarkeit als zu ungenau identifiziert, um auf dieser Basis eine Korrelation zwischen Verzug und Härtbarkeit herstellen zu können. Aus ergänzenden Stirnabschreckversuchen wurde zum einen deutlich, dass eine berechnete Härtbarkeit auf Basis der lokalen chemischen Zusammensetzung am Bauteil die tatsächliche Härtbarkeit gut abbildet. Darauf aufbauend und unter Berücksichtigung der Messunsicherheit von ± 1,5 HRC wurde für die im Serienprozess untersuchten Schmelzen ein erweitertes Härtbarkeitsstreuband abgeleitet. Zum anderen wurden an den Stirnabschreckproben lokale Maß- und Formänderungen ermittelt, um zu überprüfen inwieweit ein Zusammenhang zwischen dem Verzug der Proben, der gemessenen Härtbarkeit und den Maß- und Formänderungen der Antriebskegelräder besteht. Da sich die Härtbarkeitsunterschiede der dafür gewählten fünf Schmelzen innerhalb der Messunsicherheit bewegten, konnte ausschließlich eine Trendentwicklung zur Beschreibung des Einflusses der Härtbarkeit auf Maß- und Formänderungen der Kegelräder abgeschätzt werden. Abschließend ging aus Dilatometerversuchen zur qualitativen Beurteilung des Umwandlungsverhaltens von fünf Schmelzen aus zwei Stahlwerken hervor, dass die maßgeblichen Unterschiede der Schmelzen, bezogen auf die Martensit- und Bainitstarttemperatur, zwischen den Stahlwerken selbst bestehen und auf die jeweilige Prozessführung während der Erschmelzung zurückzuführen sind.