DE10019516A1

DE10019516A1 - Zahnräder aus korrosionsbeständigen Stahl

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Publication number: DE10019516A1
Application number: DE2000119516
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-10-31

Description

Die Erfindung betrifft Zahnräder für Getriebe oder Zahnradpumpen. Zahnräder werden zur Leistungsübertragung eingesetzt, an den Berühr flächen treten extreme Bedingungen auf. Die auftretenden Hertz'schen Pressungen bei gleichzeitiger Tangentialbeanspruchung in den Kontakt flächen erfordern Schmiermittel, um die Kontaktflächen zu schmieren (Herabsetzung der Reibungszahl µ) und die entstehende Verlustenergie abzutransportieren. Als Schmiermittel werden heute überwiegend Öle und Fette eingesetzt, ein Austritt dieser Schmiermittel aus dem Getriebe wird durch Dichtungen verhindert. Eine nicht ganz auszuschließende Leckage führt zu Umweltbelastungen, die in zunehmendem Maße nicht mehr akzeptabel sind. Schmiermittel auf Wasserbasis scheiden heute wegen der Korrossionswirkung aus. Heute übliche Einsatzstähle sind gegen Wasser nicht beständig und korrodieren. Für die heute übliche Leistungsdichte ist aber der Einsatz solcher Stähle mit einerseits hoher Oberflächenbelast barkeit und hoher Biegewechselfestigkeit unbedingt erforderlich. Diese Anforderungen erfüllen z. B. die Einsatzstähle 16MnCr5 oder 17CrNiMo6.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Zahnräder aufzuzeigen, die einer seits hohe Oberflächenbelastbarkeit und hohe Biegewechselfestigkeit zeigen, andererseits hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, damit z. B. mit Wasser geschmiert werden kann und mit Wasser auch die im Kontakt entstehende Verlustwärme abgeführt werden kann, d. h. das Zahnrad gekühlt wird. Beim Versagen von Dichtungen oder auch bei normaler Leckage von Dichtungen wird die Umwelt durch den austretenden Schmier stoff "Wasser" nicht geschädigt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Durch die Verwendung eines druckumgeschmolzenen rostfreien Stahls der genannten Zusammensetzung und der speziellen Wärmebehandlung wird der Einsatz wasserbasierter Schmiermittel in Zahnradgetrieben ermöglicht und auch der Einsatz von Zahnradpumpen zur Förderung von Flüssigkeiten auf Wasserbasis denkbar. Durch die höhere Härte im Vergleich zu norma len Einsatzstählen und die hohe Biegewechselfestigkeit dieses Werkstoffs können die hoch belasteten Zahnräder für die gleiche Leistung kleiner dimnensioniert werden, zumal auch die Verschleißbeständigkeit dieses Werkstoffs extrem hoch ist.

Bei gleicher Dimensionierung und üblicher Schmierung ergibt sich eine Le bensdauersteigerung gegenüber Zahnrädern aus gebräuchlichen Einsatz stählen, sodaß auch ein Einsatz dieses Werkstoffs bei ölgeschmierten Getrieben interessant erscheint. Der vorgeschlagene Stahl ist auch äußerst unempfindlich gegenüber Mangelschmierung und Mischreibungszuständen sowie gegen Verunreinigungspartikel im Schmierstoff, sodaß ein Einsatz in normalen Getrieben mit deutlich kleineren Ölmengen (ungefähr 10% der "normalen" Menge) vorteilhaft ist. Eine Schmierung mit minimalen Ölmen gen ist aus Umweltgesichtspunkten von hoher Relevanz. Die von den Kontakten nicht mehr abgeführte Verlustwärme führt zu höheren Tempera turen der Zahnräder. Diese höheren Temperaturen werden von dem vorgeschlagenen Stahl auf Grund seiner hohen Warmfestigkeit problemlos ertragen.

Gemäß Anspruch 2 lassen sich Zahnräder aus diesem Stahl besonders vorteilhaft paaren mit Zahnrädern aus Keramik, z. B. Siliziumnitrid, bzw. mit Zahnrädern mit Keramikbeschichtungen, die im PVD-Verfahren aufge bracht werden können, wie z. B. TiAlN oder WC/C. Die Kontaktpaarung des druckumgeschmolzenen Stahles mit hohem Chromgehalt (wie oben berschrieben) und Keramikwerkstoffen zeichnet sich durch geringe Reibungszahlen und geringe Verschleißraten der sich berührenden Flächen aus. Das bedeutet eine längere Lebensdauer insbesondere bei Mangel schmierung.

Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrads weist folgende Werkstoff zusammensetzung auf:
Grundwerkstoff druckumgeschmolzenes Eisen (Fe) mit
einem Kohlenstoffgehalt (C) von 0,3%
einem Stickstoffgehalt von 0,36%
einem Chromgehalt (Cr) von 16%
und einem Molybdängehalt (Mo) von 1%.

Die aus diesem Werkstoff bestehenden Zahnräder können entweder mit Stickstoff behandelt werden (z. B. Eindiffundieren von Stickstoffatomen in einer Stickstoffatmosphäre bei 1150°C über 8 h) oder mit Kohlenstoff (z. B. Eindiffundieren von Kohlenstoffatomen in einer Kohlenstoffatmosphäre bei 930°C über 16 h) behandelt werden, wodurch die chemischen Eigenschaf ten verändert werden. Durch anschließendes Weichglühen bei 870°C über 3 h und anschließende Erhitzung auf 1050°C wird das Gefüge austenisti siert. Das anschließende Abschrecken in Öl und ein Anlassen bei 550°C bzw. 525°C führt zu Oberflächenhärten von 63-66 HRC.

Claims

1. Zahnräder, insbesondere für wassergeschmierte Getriebe und Zahnrad pumpen, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad aus einem druckumgeschmolzenen rostfreien Stahl mit einem Legierungsanteil von mindestens
einem Kohlenstoffgehalt von 0,15%-0,50%
einem Stickstoffgehalt von 0,2%-0,5%
einem Chromgehalt von 13%-17%
einem Molybdängehalt von mindestens 0,5% gefertigt ist,
dessen Oberfläche durch Eindiffundieren von Kohlenstoff und/oder Stick stoff bei Temperaturen über 600°C chemisch verändert wird, das Teil einer nachfolgenden Wärmebehandlung (Härten, Abkühlen und anlassen) unterzogen wird, sodaß die Oberfläche der Zahnflanken eine Härte von mindestens 61 HRC aufweist.

2. Getriebe mit Zahnrädern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder mit Zahnrädern aus Keramik oder mit Zahnrädern mit Keramikbeschichtungen gepaart sind.