Metallographische Untersuchung von Zahnrädern: Grundlagen, Methoden und Schlüsselwissen

Time : 2025-11-13

Zahnräder sind zentrale Komponenten mechanischer Getriebe, und ihre Materialeigenschaften sowie die Qualität der Wärmebehandlung beeinflussen direkt Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Die metallografische Untersuchung bewertet anhand mikroskopischer Analysen des Zahnradmaterials entscheidende Kenngrößen wie Wärmebehandlungsverfahren, Randschichthärtungstiefe und Korngröße und dient als wichtige Methode der Qualitätskontrolle.

Kernziele und Prüfparameter

Das Hauptziel der metallografischen Zahnradprüfung besteht darin, die Produktleistung durch die Bewertung kritischer Parameter sicherzustellen:

Randschichthärtungstiefe: Ein entscheidender Indikator für die Verschleißfestigkeit von aufkohlt und gehärteten Zahnrädern (gemäß ISO 6336-Norm gefordert).
Korngröße: Beeinflusst die Zahnradfestigkeit und Zähigkeit (klassifiziert nach ASTM E112).
Gefüge: Die Morphologie von Martensit, Restaustenit und Karbiden bestimmt das Ermüdungsverhalten.
Oberflächenfehler: Erkennt Schleifbrand und Risse (konform mit AIAG CQI-9-Standard).

Grundlegende Gefügebestandteile

Ferrit (α): Körperzentriertes kubisches (BCC-)Gefüge, weich und zäh mit geringer Härte (~80HV), üblich in kohlenstoffarmem Stahl und Reineisen.
Austenit (γ): Flächenzentriertes kubisches (FCC-)Gefüge, hohe Plastizität und nicht magnetisch, vorhanden bei Hochtemperatur- oder hochlegiertem Stahl wie Edelstahl 304 und hochmanganhaltigem Stahl.
Zementit (Fe₃C): Orthorhombisches Kristallsystem, hart und spröde (~800HV) und verbessert die Verschleißfestigkeit, findet sich in weißem Gusseisen und kohlenstoffreichem Stahl.
Martensit: Körperzentriertes tetragonales (BCT-)Gefüge, hohe Härte (500–1000HV), erzeugt durch Abschrecken, verwendet in gehärtetem Stahl und Werkzeugstahl.

Häufige mikrostrukturelle Morphologien

Gefügetyp	Bildungsbedingungen	Leistungsmerkmale	Typische Anwendungen
Perlit	Langsames Abkühlen (eutektoider Umwandlungsprozess)	Ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit	Schienenstahl, Zahnradhärten und Anlassen
Bainit	Isothermes Härten bei mittlerer Temperatur	Höhere Festigkeit und Zähigkeit als Perlit	Federn, hochfeste Schrauben
Sorbith	Angezogener Martensit (500~650℃)	Ausgezeichnete umfassende Eigenschaften	Wellen, Pleuelstangen

Prüfverfahren und Standardmethoden

Probenahme und Probenvorbereitung

Probenahmestellen: Zahnkopf (beurteilt die Oberflächenhärtung), Zahnfuß (analysiert die Mikrostruktur in Bereichen mit Spannungskonzentration), Querschnitt (misst den Härtegradienten der Randschichthärtung)
Wesentliche Vorbereitungsschritte: Schneiden → Einbetten → Schleifen → Polieren → Ätzen → Mikroskopische Betrachtung
Einbetten: Epoxidharz zur Kantenprotektion verwenden (Kalt-Einbettung empfohlen, um thermische Einflüsse zu vermeiden)
Polieren: Mit Diamant-Polierpaste auf einen spiegelglatten Finish von 0,05 μm polieren, um Störungen durch Kratzer zu vermeiden

Ätzmittelauswahl

Materialtyp	Empfohlenes Ätzmittel	Effekt
Aufkohlungsstahl	4 % Nital (Salpetersäure-Alkohol)	Zeigt Martensit/Austenit deutlich an
Nitrierter Stahl	Pikrinsäure + Reinigungsmittel	Hebt die Nitridschicht hervor (z. B. γ'-Fe₄N)
Edelstahlzahnräder	Oxalsäure-Elektrolyt-Ätzung (10 V, 20 s)	Unterscheidet σ-Phase und Karbide

Wesentliche Prüfgeräte

Lichtmikroskop (OM)

Anwendung: Grundlegende Beobachtung der Mikrostruktur (z. B. Korngrößenklassifizierung).
Konfigurationsanforderungen: 500×–1000× Vergrößerung, ausgestattet mit Bildanalyse-Software (z. B. Olympus Stream).

Rasterelektronenmikroskop (REM)

Vorteile: Beobachtung von nichtmetallischen Einschlüssen mit hoher Auflösung (z. B. MnS) und Zusammensetzungsanalyse mittels EDS
Beispiel: Korngrenzrisse, verursacht durch Schwefelsegregation, bei der Bruchanalyse eines Getriebes für Windkraftanlagen nachgewiesen

Mikrohärteprüfung

Methode: Vickers-Härte (HV0,3–HV1) Gradientenmessung zur Erstellung von Randschichthärteverläufen
Norm: ISO 2639 definiert die Randschichthärtetiefe als Abstand von der Oberfläche bis zum Kernmaterial bei 550HV1

Gefügeanalyse

Normale Gefüge

Wärmebehandlungsprozess	Ideales Gefüge
Einsatzhärten und Abschrecken	Fein nadelförmiger Martensit + <10 % Restaustenit
Induktionshärtung	Kryptokristallines Martensit + gleichmäßige Übergangszone
Erhitzen und Abschrecken	Angezogener Sorbit (gleichmäßige Karbidausscheidung)

Häufige Fehler und Ursachen

Übermäßige Aufkohlung: Netzartige Karbide auf der Oberfläche, erhöhen die Sprödigkeit und das Risiko von Zahnflächenabplatzungen.
Randschichtveränderung durch Schleifen: Anätzfarben sichtbar gemacht (ASTM E1257), vermeidbar durch Kontrolle der Vorschubgeschwindigkeit und Einsatz von CBN-Schleifscheiben.
Härterisse: interkristalline Ausbreitung mit scharfen Enden (bestätigt durch REM).

Fehlerbezeichnung	Mikroskopische Merkmale	Ursachen und Auswirkungen
Widmanstätten-Struktur	Nadelartiger Ferrit, der in die Körner eindringt	Überhitzung führt zu verringerter Zähigkeit
Gestreifte Struktur	Abwechselnde Schichten aus Ferrit und Perlit	Seigerungsbedingte Anisotropie durch Strangguss- und Walzprozesse
Überhitzung	Korngrenzenoxidation oder -schmelze	Übermäßig hohe Heiztemperatur führt zur vollständigen Ausschussbildung

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