Beschichtungen für Zahnräder

Um das Ziel zu erreichen, Stahlzahnräder hinsichtlich Tragfähigkeit und Verschleiß zu optimieren, wurden in diesem Vorhaben Beschichtungen erprobt. Im Rahmen von Vorarbeiten wurden verschiedene Schichtsysteme numerisch mit der Software ELASTICA® auf ihre Eignung geprüft. Dabei wurden die Eigenschaften der Schichtsysteme abhängig vom Werkstoff, seiner Oberflächenbehandlung sowie den Radien relevanter Wälzpartner bestimmt. Unterschieden wurden makroskopische Wälzkontakte zwischen den Zahnflanken sowie mikroskopische Kontakte mit Oberflächenrauheit sowie Abriebpartikeln. Die vier am besten geeigneten Schichtsysteme wurden zunächst auf vereinfachte Rollkörper aufgetragen und unter verschiedenen Bedingungen geprüft. Dadurch wurden zwei Schichtsysteme ermittelt, die besondere Eignung für die Beschichtung der Zahnräder zeigen: a:C-H mit CrN-Stützschicht sowie a:C-H mit CrN-Stützschicht und vorhergehender Plasmanitrierung (Duplex-Prozess). Um die Schichten auf den Zahnflanken gegen Eingriffsstöße zu schützen, wurde deren evolventisches Profil mit einer Kopfrücknahme versehen. Als Zahnradwerkstoffe wurden 16MnCr5, 42CrMo4 sowie der Sonderstahl ETG®88 eingesetzt. Als Schmiermittel kamen zwei Arten von Fließfetten zum Einsatz. Zudem wurde der Trockenlauf untersucht. Die Zahnräder wurden bei drei verschiedenen Drehzahlen geprüft. Geprüft wurden die Zahnräder auf einem eigens dafür konstruierten Prüfstand. Die Prüfung verlief in sogenannten Kraftstufen. Jede Stufe steht für eine feste Anzahl von Wälzkontakten, d. h. Umdrehungen der Zahnräder, sowie für ein bestimmtes Drehmoment, das eine Hertz'sche Pressung auf den Zahnflanken hervorruft. Mit steigender Stufenzahl wird das Drehmoment erhöht. Das Schadenskriterium ist der Beginn des Fressens des Grundwerkstoffs als Indikator, dass das jeweilige Schichtsystem seine Schutzwirkung eingebüßt hat. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass insbesondere bei den Stählen 16MnCr5 und 42CrMo4 das Schichtsystem a:C-H mit CrN-Stützschicht und vorhergehender Plasmanitrierung zu nennenswerten Steigerungen der Flankentragfähigkeit und des Verschleißschutzes führt. Diese Steigerung wurde sowohl bei fettgeschmierten als auch bei trockenlaufenden Zahnrädern beobachtet. Die Ergebnisse für den Sonderstahl ETG®88 fielen weniger gut aus. Durch die beschriebenen Beschichtungen konnte ein Trockenlauf ermöglicht werden, der ohne Beschichtung nicht denkbar gewesen wäre. Die Ergebnisse reichen aber noch nicht ganz an die Ergebnisse der unbeschichteten Zahnräder bei Verwendung additivierten Fettes bei Minimalmengenschmierung heran. Gründe dafür sind in einer unzureichenden Nitrierhärtetiefe zu sehen. Für die gewählten Stähle wurden deshalb die Nitrierparameter hinsichtlich der Nitrierhärtetiefe angepasst. Nach der Auswertung der Versuche mit optimal nitrierten Zahnrädern ist es dann möglich, Empfehlungen für die Plasmanitrierung, die notwendige Beschichtung sowie die Auswahl des Fettes zu geben.

In order to optimize the goal, steel gear wheels regarding load-carrying capacity and wear, thin film coatings were tested. Different coating systems were examined numerically with the software ELASTICA® for their suitability. The characteristics of the coating systems were determined dependent on the material, its surface treatment as well as the diameters of relevant rolling partners. Differences were made between macroscopic rolling contacts between the teeth profiles and microscopic contacts with surface roughness and abrasion particles. First the four best suitable coating systems were deposited on simplified rollers and examined under different conditions. Two coating systems were determined, which show special suitability for the coating of the gear wheels. The first system is an a:C-H coating with an CrN interlayer. The second system is an a:C-H coating wtih an CrN interlayer on a plasma-nitrided substrat (Duplex-process). In order to protect the coatings on the teeth, their involute profile was provided with a tip relief. As gear wheel materials 16MnCr5, 42CrMo4 as well as the special steel ETG®88 were used. Two kinds of flow fats were used as lubricants and additional the unlubricated operation was examined. The gear wheels were tested at three different speeds on a test machine especially built for it. The testing routine was carried out in so-called power-stages. Each stage means a defined number of contacts and a certain Hertzian stress on the teeth profiles. With each stage the Hertzian stress was increased. The end of operation time is the beginning of cavitation pitting. The test results showed that in particular with the steel 16MnCr5 and 42CrMo4 the used Duplex-systems leads to considerable increases of the load-carrying capacity of the tooth flanks and the wear resistance. This increase was observed both with fat-lubricated and with unlubricated gear wheels. The results for the special steel ETG®88 were less promising. An unlubricated operation could be made possible by the described coatings, which would not have been possible without the coatings. However the results are not as good as the results of uncoated gear wheels wih use of minimum fat lubrication. The reason could be an insufficient nitriding-depth. For the selected steel the plasma-nitriding parameters were investigated with the goal of optimized nitriding-depth. Unfortunately up to the end of this project the gear wheels could not be treated with the optimized Duplex-Process. At present the attempts with optimally plasma-nitrided gear wheels are carried out. After that it would be possible to give recommendations for the plasma-nitriding process and the necessary coating as well as the selection of the fat.