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Konturnah und verschleißfest

Gesinterte Zahnräder: Vorteile der Pulvermetallurgie genutzt
Konturnah und verschleißfest

Die Pulvermetallurgie ist heutzutage eine ziemlich bekannte Technologie, besonders im mechanischen Bereich und in der Automobilbranche. Bei diesem Prozess werden Metallpulver als Rohstoff benutzt. Bei der Herstellung von Zahnrädern wird vorwiegend legiertes Metallpulver auf Eisenbasis verwendet.

Die Autoren Gianni Bonetti; Andrea Navazio und Pierluigi Zingale sind Mitarbeiter bei mG Minigears S.p.A., I-Padova

Das Sinter-Verfahren
Die Metallpulverteilchen werden mit mechanischen oder hydraulischen Pressen in Werkzeugen gepreßt, die die gewünschten Formen und Maße als Negativ wiedergeben. Die so geformten Zahnräder werden bei Temperaturen zwischen 1 100 und 1 300°C unter Verwendung von Schutzatmosphären (wie Endogas, dissoziierter Ammoniak, usw.) in Durchlauföfen gegeben.
Diese Phase, Sintern genannt, verursacht eine Diffusion der im Pulver vorhandenen Bindemittel und die Pulverteilchen des gepreßten Teiles verbinden sich physikalisch miteinander.
Nach dem Sintern können weitere Phasen erfolgen, wie das Kalibrieren, das zweite Sintern und/oder die Wärmebehandlung (Einsatzhärten, Dampfanlassen, usw.), um die mechanischen Eigenschaften des Zahnrads weiter hervorzuheben.
Durch eine strenge Kontrolle aller im Pulvermetallurgieprozeß verwickelten Faktoren können ziemlich enge Maßtoleranzen erhalten werden. Als Beispiel werden in der Tab. 1 die durchschnittlich erhaltbaren Maßtoleranzen angegeben, wogegen in der Tab. 2 die mechanischen Haupteigenschaften, vom benutzten Pulver und der erhaltenen Dichte abhängig, zusammengefaßt sind.
Vorteile des Metall-sintern
Im Vergleich zu den traditionellen Technologien bietet die Pulvermetallurgie eine Reihe Vorteile, die wie folgt kurz zusammengefasst werden können:
– preisgünstig, mit der starken Einsparung an Material und mechanischen Bear-beitungen zusammenhängend
– Möglichkeit, komplexe Formen, die mit den traditionellen Verfahren für Spanabhebung schwer oder überhaupt nicht zu erhalten sind, ohne mechanische Bearbeitungen zu erhalten
– generelle Vereinfachung des Fertigungszyklus, was auch kürzere Lieferzeiten zur Folge hat
– gute Maßstabilität und Oberflächenverarbeitung am fertig gepreßten Teil (ohne zusätzliche Bearbeitungen)
– Technik in andauernder Weiterentwicklung, mit weiten Verbesserungsspannen der zu bietenden Leistungen
Materialien und Fertigungszyklen
Die Möglichkeit, immer ein Produkt mit hohen Leistungen anbieten zu können, wird bei mG durch im Laufe der Jahre getroffene strategische Entscheidungen garantiert, wie:
– fast ausschließliche Verwendung von teilweise vorlegierten, atomisierten Pulvern, die – unter denen auf dem Weltmarkt erhältlichen – das höchste Niveau an Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit der Maßänderungen und an mechanischen Eigenschaften bieten
– Verwendung von Pressen, die vom technologischen Standpunkt an der Spitze stehen
– Sinter- und Wärmebehandlungsanlagen, die zeitlich konstantbleibende Ergebnisse gewährleisten
In der Entscheidungsphase des Projektes kann der Hersteller, je nach den Beanspruchungen, den das gesinterte Zahnrad ausgesetzt wird, verschiedene Lösungen bieten, wie:
– einfacher Fertigungszyklus (Pressen, Sintern, Wärmebehandlung)
– doppelter Fertigungszyklus (mit zusätzlichem Kalibrieren und erneutem Sintern)
– einfacher Fertigunszyklus mit Warmpressen (um eine höhere Dichte als mit dem obigen einfachen Fertigungszyklus zu erhalten)
Die Wahl des Fertigungszyklusses wird je nach gewünschter Dichte, bzw. je nach verlangter mechanischer Beständigkeit getroffen.
Die hohe Qualität dieser Zahnräder hängt auch mit der Möglichkeit zusammen, das „reference gear“ (d.h. das maschinenverzahnte Stahlmuster, das die Maße des gepressten Teils darstellt) in der eigenen Werkstatt herzustellen; danach wird ein Zahnrad aus Kupfer hergestellt, das wie das „reference gear“ ist und benutzt wird, um durch Tiefenerodieren den mit Hartmetall verzahnten Stempel zu erhalten.
Die Form der Verzahnung der erzeugten Stempel wird mit der dreidimensionalen Meßmaschine von Zeiss im Hause kontrolliert.
Qualitätsvorteile
Eine weitere Gewährleistung für die Qualität der mG Erzeugnisse ist die werkinterne Ausführung der Wärme-behandlung, deren Prozess- und Produktkontrolle 100%ig im Werk ausgeführt wird.
Über die vorher beschriebenen Vorteile hinaus sollen noch die folgenden, interessanten Aspekte der gesinterten Zahnräder betont werden:
– die Verschleißfestigkeit, die bei Abwesenheit von externer Schmierung höher als jene der Kompaktstähle ist, da die Porosität der gesinterten Zahnräder als Tank für das Imprägnieröl dient, das nach Sinterung oder Wärmebehandlung mit einem Vakuumprozess in die Teile eingegeben wird. Dieses Öl hat daher eine doppelte Aufgabe: es dient als Korrosionsschutz und als Selbstschmierung während des Betriebes
– die Möglichkeit, besondere geometrische Formen der Verzahnung festzulegen, die mit den traditionellen Prozessen nicht zu erhalten sind; beim gesinterten Zahnrad wird das Profil der Verzahnung durch die Verbindung zwischen Stempel und Matrize bestimmt und dieses Profil wird mit höchster Formpräzision durch Oberflächenerodieren (für Stirnzahnräder) oder durch Tiefenerodieren (für Kegelzahnräder) erzeugt. Die Schranken, die zum Beispiel durch die Profile der Zähne auferlegt werden, die mit billigen Wälzfräsern erzeugt werden, wie im Fall der Evolventenverzahnung, gibt es daher nicht mehr
– Dämpfung der Vibrationen im Vergleich zu den Kompaktstählen, aufgrund des Vorhandenseins der Porosität, mit folglicher Herabsetzung des Laufgeräusches des Zahnradsatzes
Über diese zweifellos wichtigen Aspekte hinaus ist der wahrscheinlich interessan-teste Gesichtspunkt der Pulvermetallurgie der wirtschaftliche.
Ein weiterer Fachaufsatz zum Thema Wirtschaftlichkeit folgt in einer späteren KEM-Ausgabe. Informationen hierzu kann auch bei Minigear über die Kennziffer angefordert werden.
Gesinterte Zahnräder
KEM 508
Gefräste Stahl-Zahnräder
KEM 509
Gesinterte Zahnräder
Die Vorteile der Pulvermetallurgie (PM) können auf dem Gebiet der Zahnräder nur dann voll ausgenutzt werden, falls es gelingt, eine große Erfahrung im Bereich des Sintern mit guten technischen Kenntnissen zu verbinden, die einem Konstrukteur/Hersteller von Zahnrädern eigen sind. Diese Basisphilosophie wird von der mG Minigears konkret angewandt.
Nebst der Sinterabteilung, in der sich eine Reihe mechanischer und hydraulischer Pres- sen von 45 bis 500 Tonnen, Endogas-Sinteröfen, Öfen für die Wärmebehandlung (Einsatzhärten) und eine Anlage für Induktionshärten befinden, verfügt das Unternehmen auch über verschiedene Abteilungen für die mechanischen Bearbeitungen der Stahl- und Sinterteile, wie:
n Verzahnungsabteilung (für Stirn- und Kegelzahnräder)
n Abteilung für Endverarbeitungen (Schleifen und Läppen)
n Abteilung für vorbereitende Arbeiten (Drehen, Fräsen, usw.).
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