1. Startseite
  2. Docs
  3. Legierter Stahl und Wärmebehandlungsprozess
  4. Schritte des Wärmebehandlungsprozesses

Schritte des Wärmebehandlungsprozesses

Bei der Auswahl eines Materials für eine Zahnradkonstruktion ist die wichtigste Entscheidung die einfache Bearbeitbarkeit im Vergleich zur Haltbarkeit des Materials. Die meisten Designer achten bei der Materialauswahl nur auf die maximale Biegefestigkeit. Dies behebt jedoch nur das Scherversagen des Getriebes. Wichtiger für die Langlebigkeit eines Getriebes ist die Oberflächenbeständigkeit des Materials. Die Oberflächenhaltbarkeit eines Zahnrads sollte aus der Perspektive der Lebensdauer des Zahnrads betrachtet werden. Die Oberflächenhaltbarkeit bestimmt die Anzahl der Zyklen, die ein Zahnrad unter einer bestimmten Belastung, bei richtiger Schmierung und minimierten Vibrationen in Betrieb halten kann. Wird die Belastung überschritten, verringert sich die Lebensdauer. Wenn das Schmiermittel nicht ordnungsgemäß gewartet wird, wird die Lebensdauer verkürzt. Die Oberflächenhaltbarkeit wirkt sich typischerweise auf das Zahnrad im System mit der geringsten Anzahl von Zähnen aus, da dieses Zahnrad häufiger eingerückt wird als andere. Um die Oberflächenbeständigkeit zu erhöhen, sollte ein geeigneter Wärmebehandlungsprozess angewendet werden, um die Lebensdauer dieses Zahnrads zu verlängern.

Die Wärmebehandlung ist ein Prozess, der das Erhitzen und Abkühlen eines Materials steuert, was durchgeführt wird, um die erforderlichen strukturellen Eigenschaften von Metallen zu erhalten. Erwärmungsverfahren umfassen Normalisieren, Glühen, Abschrecken, Anlassen und Oberflächenhärten.

Die Wärmebehandlung wird durchgeführt, um die Eigenschaften des Stahls zu verbessern, da die Härte des Materials bei Anwendung aufeinanderfolgender Wärmebehandlungen zunimmt. Damit steigt auch die Verzahnungsfestigkeit, da die Zahnoberflächenfestigkeit drastisch ansteigt. Wie in Tabelle 1 gezeigt, unterscheiden sich die Wärmebehandlungen in Abhängigkeit von der Menge an Kohlenstoff (C), die im Stahl enthalten ist.

Tabelle 1
Im Folgenden sind einige der verschiedenen Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl aufgeführt:

Das Normalisieren ist ein Wärmebehandlungsprozess, der auf die Mikrostruktur der kleinen Stahlkristalle angewendet wird, um ihre Gesamtstruktur zu vereinheitlichen. Diese Behandlung wird durchgeführt, um innere Spannungen abzubauen oder ungleichmäßige Faserstrukturen aufzulösen, die sich während des Umformprozesses entwickelt haben.

Glühen ist ein Wärmebehandlungsprozess, der angewendet wird, um Stahl weicher zu machen, die Kristallstruktur anzupassen, innere Spannungen abzubauen und das Material für die Kaltbearbeitung und Schneidleistung zu modifizieren. Je nach Anwendung gibt es mehrere Glüharten, wie z. B. Vollglühen, Weichglühen, Spannungsarmglühen, Richtglühen und Zwischenglühen.

Vollglühen ist ein Glühen, das verwendet wird, um innere Spannungen abzubauen, ohne die Struktur zu verändern.
Richtglühen ist ein Glühen, das verwendet wird, um Verformungen zu beheben, die im Stahl aufgetreten sind. Dies wird durch Aufbringen einer Last während des Erhitzens erreicht.
Das Zwischenglühen ist ein Glühen, das im Prozess der Kaltumformung angewendet wird und angewendet wird, um das kaltverfestigte Material zu erweichen, um den nächsten Prozess zu erleichtern.
Abschrecken ist ein Wärmebehandlungsverfahren für Stahl, bei dem nach dem Erhitzen auf hohe Temperatur eine schnelle Abkühlung erfolgt. Es gibt verschiedene Arten des Abschreckens in Übereinstimmung mit den Kühlbedingungen: Wasserabschrecken, Ölabschrecken und Vakuumabschrecken. Nach dem Abschrecken muss unbedingt angelassen werden.

Anlassen ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem mit angemessener Geschwindigkeit gekühlt wird. Nach Durchführung eines Abschreckhärteprozesses wird das Material erneut erhitzt und dann angelassen. Das Anlassen muss nach dem Abschrecken erfolgen. Das Abschrecken wird angewendet, um die Härte einzustellen, die Zähigkeit zu erhöhen und innere Spannungen abzubauen. Es gibt zwei Arten des Anlassens – das eine ist das Anlassen bei hoher Temperatur und das andere das Anlassen bei niedriger Temperatur. Durch das Anlassen bei höherer Temperatur wird eine höhere Zähigkeit erreicht, obwohl die Härte abnimmt. Zur thermischen Veredelung wird ein Hochtemperaturanlassen durchgeführt. Für das Induktionshärten oder Aufkohlen ist das erforderliche Anlassen, das nach der Oberflächenhärtungsbehandlung durchgeführt wird, ein Anlassen bei niedriger Temperatur.

Thermisches Raffinieren ist ein Wärmebehandlungsverfahren, das angewendet wird, um die Härte, Festigkeit und Zähigkeit von Stahl einzustellen. Diese Behandlung umfasst Abschrecken und Hochtemperaturanlassen in Kombination. Nachdem die thermische Veredelung durchgeführt wurde, wird die Härte durch diese Behandlungen angepasst, um die maschinellen Eigenschaften des Metalls zu verbessern.

Die Zielhärte für die thermische Veredelung:

JIS S45C/AISI 1045 (Kohlenstoffstahl für Maschinenkonstruktionen) 200 – 270 HB
JIS SCM440/AISI 4140 (legierter Stahl für Maschinenbauzwecke) 230 – 270 HB
Aufkohlen ist ein Wärmebehandlungsprozess, der speziell durchgeführt wird, um die Oberfläche eines Materials zu härten, in dem Kohlenstoff vorhanden ist und in die Oberfläche eindringt. Die Oberfläche von kohlenstoffarmem Stahl kann aufgekohlt werden (Kohlenstoffdurchdringung unter Hitze und Druck ausgesetzt werden) und führt zu einer Schicht mit hohem Kohlenstoffgehalt auf der Außenfläche. Dieser Prozess erfordert ein Abschrecken. Nach dem Abschrecken wird ein Niedertemperaturanlassen angewendet, um die Härte einzustellen. Nicht nur die Oberfläche, auch das innere Materialgefüge wird durch das Aufkohlen etwas gehärtet, ist aber nicht so hart wie die Oberfläche. Wenn ein Maskierungsmittel auf einen Teil der Oberfläche aufgetragen wird, wird das Eindringen von Kohlenstoff verhindert und die Härte wird nicht verändert. Die Zielhärte an der Oberfläche und die Einhärtetiefe sind:

Abschreckhärte 55 – 63 HRC
Effektive Einhärtetiefe 0.3 – 1.2 mm
Zahnräder werden durch Aufkohlen verformt, und die Genauigkeit des Zahnrads wird aufgrund dieses Prozesses immer verringert. Es wird empfohlen, die Zähne und andere kritische Oberflächen nach dem Aufkohlen zu schleifen, um die Präzision zu verbessern.

Induktionshärten ist ein Wärmebehandlungsprozess, der durchgeführt wird, um die Oberfläche des Zahnrads durch Induktionserwärmung von Stahl mit einer Mindestzusammensetzung von 0.3 Prozent Kohlenstoff zu härten. Dabei wird eine Induktionsspule um das Zahnrad gelegt und ein Strom durch die Spule geleitet. Dieser elektrische Strom erhitzt den Stahl schnell, gefolgt vom Abschrecken. Bei Zahnradprodukten ist das Induktionshärten wirksam zum Härten von Zahnbereichen, einschließlich der Zahnoberfläche und der Spitze, jedoch wird der Fuß in einigen Fällen möglicherweise nicht gehärtet. Generell lässt die Präzision eines Zahnrades durch die durch das Induktionshärten verursachten Verformungen nach. Beim Induktionshärten von S45C-Zahnrädern sind die effektiven Härten und Tiefen:

Abschreckhärte 45 – 55 HRC
Effektive Einhärtungstiefe 1–2 mm
Flammhärten ist eine weitere Oberflächenhärtungsbehandlung, bei der eine Flamme direkt auf den Stahl aufgebracht wird. Diese Behandlung wird normalerweise an der Oberfläche zum teilweisen Härten durchgeführt, da es schwierig ist, das richtige Wärmeniveau und die richtige Dauer aufrechtzuerhalten, um eine gleichmäßige Härte über einen weiten Teil der Zahnräder zu erreichen.

Nitrieren ist ein Wärmebehandlungsprozess, der durchgeführt wird, um ein Zahnrad zu härten, indem Stickstoff in die Oberfläche von Stahl eingebracht wird. Wenn eine Stahllegierung Aluminium, Chrom und Molybdän enthält, verbessert sie das Nitrieren und die gewünschte Härte kann erhalten werden. Dies ist eine Wärmebehandlung, bei der das gesamte Stahlmaterial bis zum Kern erhitzt und anschließend schnell abgekühlt wird, wobei nicht nur die Oberfläche, sondern auch der Kern gehärtet wird.

Laserhärten ist ein relativ neues Oberflächenwärmebehandlungsverfahren. Das Material wird einem 4-kW-Laser mit einem 40-mm-mrad-Strahl ausgesetzt. Mit diesem Verfahren kann eine Härte von 55-65 HRC bei einer Tiefe von 0.3-0.8 mm erreicht werden. Ein Vorteil der Laserbehandlung ist, dass die Biegefestigkeit unverändert bleibt, im Gegensatz zum Induktionshärten, das die Biegefestigkeit im Durchschnitt um 10 Prozent reduziert. Die Laserbehandlung kann die Oberflächenbeständigkeit um das 2.2-fache erhöhen, während das Induktionshärten um das 2.5-2.6-fache zunimmt. Aufgrund der kurzen Dauer der aufgebrachten Wärme und der fehlenden Notwendigkeit zum Abschrecken minimiert dieses Verfahren den Verzug. Im direkten Vergleich hatte eine Zahnstange von einem Meter Länge beim Induktionshärten eine Längenzunahme von 0.233 mm. Beim Laserhärten erhöhte sich die Länge der gleichen Zahnstange jedoch nur um 0.019 mm.

Jede dieser Wärmebehandlungsmethoden hat ihren Platz bei der Entwicklung einer Oberflächenhärte, die für das ausgewählte Material und die Lebensdauer der Anwendung geeignet ist. Die Materialauswahl, die Kosten und die sekundären Arbeitsgänge sind Ihr Leitfaden für die richtige Wahl.

War dieser Artikel hilfreich für Sie? Ja Nein

Was können wir für Sie tun?