Härteverfahren für Rollenketten: Ein Schlüsselfaktor für die Zuverlässigkeit des Getriebes

Härteverfahren für Rollenketten: Ein Schlüsselfaktor für die Zuverlässigkeit des Getriebes

Im Bereich der industriellen GetriebetechnikRollenkettenRollenketten sind Schlüsselkomponenten für die Kraft- und Bewegungsübertragung und beeinflussen maßgeblich die Betriebseffizienz und Sicherheit der gesamten Maschine. Von Schwerlastgetrieben in Bergbaumaschinen bis hin zum präzisen Antrieb von Werkzeugmaschinen, von Feldeinsätzen in Landmaschinen bis zur Kraftübertragung in Automobilmotoren – Rollenketten fungieren stets als „Kraftbrücke“. Bei der Herstellung von Rollenketten ist das Anlassen, ein zentraler Schritt im Wärmebehandlungsprozess, wie der entscheidende Schritt, der „aus Stein Gold macht“, denn er bestimmt direkt die Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der Kette.

1. Warum ist das Härten ein „Pflichtfach“ bei der Herstellung von Rollenketten?

Bevor wir den Anlassprozess erläutern, müssen wir zunächst klären: Warum ist das Anlassen von Rollenketten so wichtig? Dies beginnt mit der Bearbeitung der Kernkomponenten der Kette: Rollen, Buchsen, Bolzen und Laschen. Nach der Formgebung werden die wichtigsten Rollenkettenkomponenten typischerweise abgeschreckt: Das Werkstück wird über die kritische Temperatur (typischerweise 820–860 °C) erhitzt, für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten und anschließend schnell abgekühlt (z. B. in Wasser oder Öl), um die innere Struktur des Metalls in Martensit umzuwandeln. Obwohl das Abschrecken die Härte des Werkstücks deutlich erhöht (bis zu HRC 58–62), birgt es auch einen entscheidenden Nachteil: extrem hohe innere Spannungen und Sprödigkeit, wodurch das Werkstück anfällig für Brüche unter Stößen oder Vibrationen wird. Stellen Sie sich vor, Sie verwenden eine abgeschreckte Rollenkette direkt im Antrieb. Ausfälle wie Bolzenbruch und Rollenrisse könnten bereits bei der ersten Belastung auftreten, mit katastrophalen Folgen.

Das Anlassen behebt das Problem der „Hartheit bei gleichzeitiger Sprödigkeit“ nach dem Abschrecken. Das abgeschreckte Werkstück wird auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur (typischerweise 150–350 °C) wiedererhitzt, für eine bestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten und anschließend langsam abgekühlt. Durch diesen Prozess wird die innere Struktur des Metalls so angepasst, dass ein optimales Verhältnis zwischen Härte und Zähigkeit erreicht wird. Bei Rollenketten spielt das Anlassen in drei Schlüsselbereichen eine entscheidende Rolle:

Abbau innerer Spannungen: Löst strukturelle und thermische Spannungen, die beim Abschrecken entstehen, und verhindert so Verformungen und Risse im Werkstück aufgrund von Spannungskonzentrationen während des Gebrauchs;

Optimierung der mechanischen Eigenschaften: Anpassung des Verhältnisses von Härte, Festigkeit und Zähigkeit an die Anwendungsanforderungen – beispielsweise benötigen Ketten für Baumaschinen eine höhere Zähigkeit, während Präzisionsantriebsketten eine höhere Härte erfordern;

Stabilisierung von Mikrostruktur und Abmessungen: Die innere Mikrostruktur des Metalls wird stabilisiert, um eine durch Mikrostrukturänderungen während des Gebrauchs verursachte Dimensionsverformung der Kette zu verhindern, die die Übertragungsgenauigkeit beeinträchtigen könnte.

II. Kernparameter und Kontrollpunkte des Wälzketten-Härteprozesses

Die Wirksamkeit des Anlassprozesses hängt von der präzisen Steuerung dreier Kernparameter ab: Temperatur, Zeit und Abkühlgeschwindigkeit. Unterschiedliche Parameterkombinationen können deutlich unterschiedliche Leistungsergebnisse hervorrufen. Der Anlassprozess muss aufgrund der unterschiedlichen Belastungscharakteristika und Leistungsanforderungen der einzelnen Komponenten der Rollenkette (Rollen, Buchsen, Bolzen und Laschen) individuell angepasst werden.

1. Anlasstemperatur: Der zentrale Stellknopf für die Leistungssteuerung
Die Anlasstemperatur ist der entscheidendste Faktor für die endgültigen Eigenschaften eines Werkstücks. Mit steigender Temperatur nimmt die Härte des Werkstücks ab und seine Zähigkeit zu. Je nach Anwendungsbereich der Rollenkette werden die Anlasstemperaturen im Allgemeinen wie folgt kategorisiert:
Niedrigtemperaturvergütung (150–250 °C): Wird hauptsächlich für Bauteile eingesetzt, die eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit erfordern, wie z. B. Wälzkörper und Buchsen. Durch die Niedrigtemperaturvergütung bleibt die Werkstückhärte von HRC 55–60 erhalten, während gleichzeitig innere Spannungen abgebaut werden. Dadurch eignet sich das Verfahren für hochfrequente, stoßarme Antriebsanwendungen (z. B. Spindelantriebe für Werkzeugmaschinen).
Anlassen bei mittlerer Temperatur (300–450 °C): Geeignet für Bauteile, die hohe Festigkeit und Elastizität erfordern, wie z. B. Bolzen und Kettenplatten. Nach dem Anlassen bei mittlerer Temperatur sinkt die Härte des Werkstücks auf HRC 35–45, wodurch sich seine Streckgrenze und Elastizitätsgrenze deutlich verbessern und es hohen Stoßbelastungen standhält (z. B. in Baumaschinen und Bergbaugeräten).
Hochtemperaturvergütung (500–650 °C): Diese Methode wird selten für Kernrollenkettenkomponenten eingesetzt und findet nur in Spezialanwendungen für Hilfskomponenten Anwendung, die eine hohe Zähigkeit erfordern. Bei dieser Temperatur sinkt die Härte weiter (HRC 25–35), die Schlagzähigkeit wird jedoch deutlich verbessert.
Wichtige Kontrollpunkte: Eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Anlassofen ist entscheidend; die Temperaturdifferenzen müssen innerhalb von ±5 °C liegen. Ungleichmäßige Temperaturen können zu erheblichen Leistungsschwankungen innerhalb derselben Werkstückcharge führen. Beispielsweise können zu hohe lokale Temperaturen an Walzen „weiche Stellen“ erzeugen und die Verschleißfestigkeit verringern. Zu niedrige Temperaturen können innere Spannungen nicht vollständig abbauen und zu Rissen führen.

2. Anlasszeit: Eine „hinreichende Bedingung“ für die mikrostrukturelle Transformation
Die Anlasszeit muss eine ausreichende Gefügeumwandlung im Werkstück gewährleisten und gleichzeitig eine Leistungsverschlechterung durch Überanlassen vermeiden. Eine zu kurze Anlasszeit verhindert den vollständigen Abbau innerer Spannungen, was zu einer unvollständigen Gefügeumwandlung und unzureichender Zähigkeit führt. Eine zu lange Anlasszeit erhöht die Produktionskosten und kann zudem einen übermäßigen Härteverlust zur Folge haben. Die Anlasszeit für Rollenkettenkomponenten wird im Allgemeinen durch die Werkstückdicke und die Ofenbeladung bestimmt.
Dünnwandige Bauteile (z. B. Kettenplatten, 3-8 mm dick): Die Anlasszeit beträgt in der Regel 1-2 Stunden;
Dickwandige Bauteile (wie z. B. Walzen und Stifte, 10-30 mm Durchmesser): Die Anlasszeit sollte auf 2-4 Stunden verlängert werden;
Bei größeren Ofenbeladungen sollte die Anlasszeit um 10-20% erhöht werden, um eine gleichmäßige Wärmeübertragung bis in den Kern des Werkstücks zu gewährleisten.
Wichtige Kontrollpunkte: Durch die Anwendung einer „stufenweisen Temperaturrampe“ lässt sich die Anlasseffizienz optimieren – zunächst wird die Ofentemperatur auf 80 % der Zieltemperatur erhöht, 30 Minuten lang gehalten und dann auf die Zieltemperatur erhöht, um neue thermische Spannungen im Werkstück aufgrund schneller Temperaturerhöhungen zu vermeiden.

3. Kühlrate: Die „letzte Verteidigungslinie“ für stabile Leistung
Die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Anlassen hat einen relativ geringen Einfluss auf die Werkstückeigenschaften, muss aber dennoch sorgfältig kontrolliert werden. Typischerweise wird Luftkühlung (natürliche Abkühlung) oder Ofenkühlung eingesetzt.

Nach dem Anlassen bei niedrigen Temperaturen wird üblicherweise eine Luftkühlung eingesetzt, um die Temperatur schnell auf Raumtemperatur zu senken und eine längere Einwirkung mittlerer Temperaturen zu vermeiden, die zu einem Härteverlust führen kann.

Wenn nach dem Anlassen bei mittlerer Temperatur eine höhere Zähigkeit erforderlich ist, kann eine Ofenkühlung eingesetzt werden. Der langsame Abkühlprozess verfeinert das Korngefüge zusätzlich und verbessert die Schlagfestigkeit.

Wichtige Kontrollpunkte: Während des Abkühlprozesses ist es wichtig, einen ungleichmäßigen Kontakt zwischen Werkstückoberfläche und Luft zu vermeiden, da dies zu Oxidation oder Entkohlung führen kann. Um die Oberflächenqualität zu gewährleisten, können Schutzgase wie Stickstoff in den Anlassofen eingeleitet oder Antioxidationsmittel auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden.

III. Häufige Probleme und Lösungen beim Härten von Rollenketten

Selbst wenn die Kernparameter bekannt sind, können in der realen Produktion aufgrund von Faktoren wie Ausrüstung, Bedienung oder Materialqualität dennoch Probleme beim Härten auftreten. Im Folgenden werden die vier häufigsten Probleme beim Härten von Rollenketten und ihre jeweiligen Lösungen beschrieben:

1. Unzureichende oder ungleichmäßige Härte

Symptome: Die Härte des Werkstücks ist geringer als die Konstruktionsanforderung (z. B. erreicht die Walzenhärte nicht HRC 55), oder der Härteunterschied zwischen verschiedenen Teilen desselben Werkstücks überschreitet HRC 3. Ursachen:
Die Anlasstemperatur ist zu hoch oder die Haltezeit zu lang;
Die Temperaturverteilung im Anlassofen ist ungleichmäßig;
Die Abkühlgeschwindigkeit des Werkstücks nach dem Abschrecken ist unzureichend, was zu einer unvollständigen Martensitbildung führt.
Lösungen:
Kalibrieren Sie das Thermoelement des Anlassofens, überwachen Sie regelmäßig die Temperaturverteilung im Ofen und tauschen Sie alternde Heizrohre aus;
Temperatur und Zeit gemäß Prozessbeschreibung strikt kontrollieren und stufenweises Halten anwenden;
Optimieren Sie den Abschreck- und Abkühlprozess, um eine schnelle und gleichmäßige Abkühlung des Werkstücks zu gewährleisten.

2. Innere Spannungen werden nicht abgebaut, was während des Gebrauchs zu Rissen führt.
Symptome: Bei der erstmaligen Montage und Verwendung der Kette kann der Bolzen oder die Kettenlasche ohne Vorwarnung mit einem Sprödbruch brechen.
Ursachen:
Die Anlasstemperatur ist zu niedrig oder die Haltezeit zu kurz, was zu einer unzureichenden Entlastung der inneren Spannungen führt;
Das Werkstück wird nach dem Abschrecken nicht umgehend (länger als 24 Stunden) angelassen, was zu inneren Spannungen führt. Lösung:
Die Anlasstemperatur sollte entsprechend der Werkstückdicke erhöht werden (z. B. von 300 °C auf 320 °C für Stifte) und die Haltezeit verlängert werden.
Nach dem Abschrecken muss das Werkstück innerhalb von 4 Stunden angelassen werden, um eine anhaltende Spannungsansammlung zu vermeiden.
Um Restspannungen weiter abzubauen, sollte bei wichtigen Bauteilen ein „sekundäres Anlassverfahren“ angewendet werden (nach dem ersten Anlassen auf Raumtemperatur abkühlen lassen und dann erneut bei erhöhter Temperatur anlassen).

3. Oberflächenoxidation und Entkohlung

Symptome: Auf der Werkstückoberfläche bildet sich eine grauschwarze Oxidschicht, oder ein Härteprüfgerät zeigt an, dass die Oberflächenhärte geringer ist als die Kernhärte (die Entkohlungsschicht ist dicker als 0,1 mm).
Ursache:
Ein zu hoher Luftgehalt im Anlassofen führt zu einer Reaktion zwischen dem Werkstück und dem Sauerstoff.
Zu lange Anlasszeiten führen zur Diffusion und zum Ablösen von Kohlenstoff von der Oberfläche. Lösung: Verwenden Sie einen geschlossenen Anlassofen mit Stickstoff- oder Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre, um den Sauerstoffgehalt im Ofen auf unter 0,5 % zu halten. Reduzieren Sie unnötige Anlasszeiten und optimieren Sie die Ofenbeladung, um ein Überfüllen des Ofens mit Werkstücken zu vermeiden. Bei leicht oxidierten Werkstücken empfiehlt sich nach dem Anlassen ein Kugelstrahlen zur Entfernung des Oberflächenzunders.

4. Dimensionsdeformation

Symptome: Übermäßige Rollenovalität (über 0,05 mm) oder falsch ausgerichtete Kettenplattenlöcher.

Ursache: Zu schnelle Erwärmungs- oder Abkühlungsraten beim Anlassen erzeugen thermische Spannungen, die zu Verformungen führen.

Eine unsachgemäße Platzierung der Werkstücke beim Beladen des Ofens führt zu ungleichmäßiger Beanspruchung.

Lösung: Langsames Aufheizen (50°C/Stunde) und langsames Abkühlen zur Reduzierung der thermischen Belastung.

Konstruieren Sie spezielle Vorrichtungen, um sicherzustellen, dass das Werkstück während des Anlassens frei bleibt und so eine Druckverformung vermieden wird.

Bei hochpräzisen Teilen sollte nach dem Anlassen ein Richtvorgang durchgeführt werden, bei dem die Maße durch Druckrichten oder Wärmebehandlung korrigiert werden.

IV. Qualitätsprüfung und Abnahmekriterien für den Anlassprozess

Um sicherzustellen, dass die Komponenten von Rollenketten nach dem Anlassen die Leistungsanforderungen erfüllen, muss ein umfassendes Qualitätsprüfungssystem eingerichtet werden, das umfassende Prüfungen in vier Dimensionen durchführt: Aussehen, Härte, mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur.

1. Sichtprüfung

Inspektionsinhalt: Oberflächenfehler wie Zunder, Risse und Dellen.

Prüfverfahren: Sichtprüfung oder Prüfung mit einer Lupe (10-fache Vergrößerung).

Akzeptanzkriterien: Keine sichtbaren Zunderablagerungen, Risse oder Grate an der Oberfläche und gleichmäßige Farbe.

2. Härteprüfung

Prüfinhalt: Oberflächenhärte und Härtegleichmäßigkeit.

Prüfverfahren: Die Oberflächenhärte von Walzen und Stiften wird mit einem Rockwell-Härteprüfgerät (HRC) gemessen. Dazu werden 5 % der Werkstücke jeder Charge zufällig ausgewählt und an drei verschiedenen Stellen jedes Werkstücks geprüft.

Akzeptanzkriterien:

Rollen und Buchsen: HRC 55-60, mit einer Härtedifferenz von ≤ HRC3 innerhalb derselben Charge.

Bolzen- und Kettenplatte: HRC 35–45, mit einer Härteabweichung von ≤ HRC 2 innerhalb derselben Charge. 3. Prüfung der mechanischen Eigenschaften

Prüfinhalt: Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit;

Prüfverfahren: Aus einer Charge von Werkstücken pro Quartal werden Standardproben für Zugversuche (GB/T 228.1) und Schlagversuche (GB/T 229) hergestellt;

Akzeptanzkriterien:

Zugfestigkeit: Bolzen ≥ 800 MPa, Ketten ≥ 600 MPa;

Schlagzähigkeit: Stifte ≥ 30 J/cm², Ketten ≥ 25 J/cm².

4. Mikrostrukturprüfung

Prüfinhalt: Das innere Gefüge besteht aus gleichmäßig angelassenem Martensit und angelassenem Bainit;

Prüfverfahren: Querschnitte des Werkstücks werden geschnitten, poliert und geätzt und anschließend mit einem metallographischen Mikroskop (400-fache Vergrößerung) untersucht;

Akzeptanzkriterien: Gleichmäßiges Gefüge ohne Netzwerkkarbide oder grobe Körner und eine Dicke der entkohlten Schicht von ≤ 0,05 mm.

V. Branchentrends: Die Entwicklungsrichtung intelligenter Härteverfahren

Mit der zunehmenden Verbreitung von Industrie-4.0-Technologien entwickeln sich die Härteverfahren für Rollenketten hin zu intelligenten, präzisen und umweltfreundlichen Prozessen. Drei wichtige Trends sind dabei zu beachten:

1. Intelligentes Temperaturregelungssystem

Mithilfe von IoT-Technologie (Internet der Dinge) werden mehrere hochpräzise Thermoelemente und Infrarot-Temperatursensoren im Anlassofen platziert, um Temperaturdaten in Echtzeit zu erfassen. KI-Algorithmen passen die Heizleistung automatisch an, um eine Temperaturgenauigkeit von ±2 °C zu erreichen. Darüber hinaus zeichnet das System die Anlasskurve für jede Werkstückcharge auf und erstellt so eine nachvollziehbare Qualitätsdokumentation.

2. Digitale Prozesssimulation

Mithilfe von Finite-Elemente-Analyse-Software (wie z. B. ANSYS) werden die Temperatur- und Spannungsfelder des Werkstücks während des Anlassens simuliert, um potenzielle Verformungen und ungleichmäßiges Verhalten vorherzusagen und so die Prozessparameter zu optimieren. Beispielsweise kann die Simulation die optimale Anlasszeit für ein bestimmtes Walzenmodell bestimmen und die Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Versuch-und-Irrtum-Methoden um 30 % steigern.
3. Umweltfreundliche und energiesparende Prozesse

Die Entwicklung einer Niedrigtemperatur-Kurzzeit-Anlasstechnologie durch Zugabe eines Katalysators senkt die Anlasstemperatur und den Energieverbrauch. Durch die Implementierung eines Abwärmerückgewinnungssystems, das die Wärme des aus dem Anlassofen austretenden Hochtemperatur-Rauchgases zur Vorwärmung der Werkstücke nutzt, werden Energieeinsparungen von über 20 % erzielt. Darüber hinaus reduziert die Förderung wasserlöslicher Antioxidationsmittel als Alternative zu herkömmlichen ölbasierenden Beschichtungen die VOC-Emissionen.