Methodical investigation of distortion biasing parameters during case hardening of spur wheels

Highly stressed gears are typically 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 processes take place, which were studied in these examinations. Object of the actual investigations were spur wheels with module 2.557 and 42 teeth on the wheel with a helix angel of 23°. The case hardening was realized utilizing low pressure carburisation 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 of heating, carburisation and quenching. Heating related factors were the batch design, the heat transfer and the preheating temperature. During carburisation the temperature, carburisation depth and surface carbon content as well as the atmosphere during diffusion were altered. Finally the quenching related variation was the hardening temperature. The identified main factors on size as well as shape changes of the base body and the toothing will be presented and discussed. Hoch belastete Zahnrader werden ublicherweise warmebehandelt, um den betriebsbedingten Belastungen zu wiederstehen. Im Zusammenhang mit Bauteilen des Antriebstrangs, insbesondere Zahnradern, wird das Verfahren des Einsatzhartens haufig eingesetzt. Beim Einsatzharten werden verschiedenen Verzuge beobachtet, deren Untersuchung im Folgenden dargestellt wird. Die Untersuchungen wurden an einem Stirnrad mit einem Modul 2,557 und einer Zahnezahl von 42 durchgefuhrt. Die Verzahnung weist einen Kopfkreisdurchmesser von 120 mm auf und ist 23° rechtsschrag. Die Einsatzhartung wurde in einer Zwei-Kammer-Vakuumaufkohlungsanlage vom Typ IPSEN RVTC 224 mittels Niederdruckaufkohlen und Hochdruckgasabschreckung mit 10 bar Stickstoff durchgefuhrt. Die Untersuchung wurde durch die Anwendung von Design of Experiments (DoE) Methoden unterstutzend begleitet. Bezuglich ihres Einflusses auf den Verzug der Zahnrader standen die drei aufeinander folgenden Schritte des Erwarmens, Aufkohlens und Abschreckens im Fokus der Untersuchungen. Die in den Untersuchungen des Erwarmprozesses variierten Parameter sind der Chargenaufbau, der Warmeubergangsmechanismus sowie die Temperatur der ersten Haltestufe fur den Temperaturausgleich in der Charge. Die in der Aufkohlung variierten Grosen sind die Aufkohlungstiefe und der Randkohlenstoffgehalt, sowie die Atmosphare wahrend der Diffusions- und Haltephasen. In Bezug auf die Abschreckung wurde der Einfluss der Hartetemperatur auf den Verzug der Zahnrader betrachtet. Durch eine 3-D-Koordinatenmessung des Grundkorpers und der Verzahnung vor und nach der Warmebehandlung konnte eine Anderung der Mas- und Formabweichungen durch die Warmebehandlung abgeleitet werden. Diese Anderungen wurden hinsichtlich der einzelnen beschriebenen Parameter und deren Variationen mittels der Auswertung des DoE-Plans analysiert, um die signifikanten Einflussgrosen auf den Verzug zu identifizieren. Im Folgenden werden die Ergebnisse der Untersuchungen dargestellt und diskutiert.