PLASNIT®

Plasmanitrieren für Hohlzahnräder

Ein neuer Standard für
hochpräzise Getriebekomponenten

Hohlzahnräder in elektrifizierten Antrieben müssen heute zwei Gegensätze vereinen: maximale Festigkeit und geringes Gewicht.

Doch sobald diese dünnwandigen Bauteile mit klassischen Methoden wie dem Einsatzhärten behandelt werden, entsteht ein altbekanntes Problem – Verzug. Hohe Temperaturen um 900 °C, gefolgt von abruptem Abschrecken, setzen die Zahnkränze unter extreme Spannungen. Das Bauteil kann sich oval verformen oder Plan‑ und Rundlauf tolerieren nicht mehr einhalten; teure Schleif‑ und Richtprozesse sind die Folge. Genau an dieser Stelle setzt PLASNIT®, das Micropuls‑Plasmanitrierverfahren von RÜBIG, an.

Warum herkömmliches
Einsatzhärten an Grenzen stößt

Beim Einsatzhärten diffundiert zunächst Kohlenstoff bei großer Hitze in den Stahl. Anschließend wird das Werkstück rasch abgeschreckt, sodass Martensit entsteht – hart, aber spannungsreich. In massiven Zahnrädern funktioniert das zuverlässig. Doch bei Hohlrädern mit dünner Wandstärke summiert sich jede mikroskopische Veränderung in der Gefügestruktur zu merklichen Geometrieabweichungen: Das Bauteil kehrt oval statt rund aus dem Ofen zurück, die Innenverzahnung verläuft nicht mehr konzentrisch, und die zuvor präzise geschliffene Bohrung muss nachgearbeitet werden. Jede dieser Korrekturen verlängert den Produktionsdurchlauf und verschlingt bares Geld – in manchen Serien machen Hartnachbearbeitungen mehr als ein Drittel der gesamten Prozesskosten aus.

Das Funktionsprinzip

Plasmanitrieren mit PLASNIT®

PLASNIT® nutzt ein ionisiertes Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch bei vergleichsweise moderaten Temperaturen von rund 500 bis 580 °C. In diesem Plasma löst sich der Stickstoff, diffundiert in die Randzone des Stahls und bildet eine fein ausgeprägte Diffusionsschicht mit Druckeigenspannungen. Weil das Bauteil nicht abgeschreckt wird, bleiben Phasenumwandlungen aus; die während der Erwärmung eingeleiteten Spannungen bauen sich kontrolliert ab. Das Resultat: Der Zahnradsatz behält seine ursprüngliche Form – selbst bei sehr dünnen Ringwänden.

Vorteile von Plasnit®

Stellenweise Behandlung möglich

Partielles Nitrieren durch mechanische Abdeckung möglich.

Reproduzierbarkeit

Gute Reproduzierbarkeit und enge Toleranzen im Behandlungsergebnis.

Saubere Oberflächen

Geringere Rauigkeiten und saubere Oberflächen im Vergleich zu Salzbad und Gas.

Kostenersparnis

Einbaufertige Produkte – reduzierte Fertigungskosten.

Korrosionsschutz

Erhöhter Schutz gegen Korrosion bei un- und niedriglegierten Stählen.

Nachoxidation

Möglichkeit der Nachoxidation.

Technische Leistungsfähigkeit –
wissenschaftlich belegt

Bereits 2007 untersuchte die Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) der Technischen Universität München unter Leitung von Prof. Höhn die Dauerfestigkeit plasmanitrierter Stähle. Nitriderspezifische Werkstoffe wie 31CrMoV9 erreichten Zahnfuß-festigkeiten bis 590 MPa und Flankentragfähigkeiten bis 1 760 MPa. Diese Werte liegen im oberen Bereich dessen, was einsatzgehärtete Bauteile bieten. In internen Programmen hat RÜBIG diese Versuche auf echte Serien¬komponenten übertragen: Hohlräder, die nach dem Einsatzhärten wegen Ovalität geschliffen werden mussten, kamen nach der Umstellung auf PLASNIT® ohne jeden Nacharbeitsschritt aus dem Ofen – bei gleichbleibenden oder sogar verbesserten Festigkeitswerten. Die Einsparung pro Bauteil lag bei über fünfzehn Prozent.

Wirtschaftlicher
Nutzen in der Serienproduktion

Das Plasmanitrieren bringt mehr als nur technische Stabilität. Weil der Verzug wegfällt, können Zahnradrohlinge im fertig spanend bearbeiteten Zustand in den Ofen gehen – alle Toleranzen bleiben erhalten. Produktionskosten schrumpfen an zwei Fronten: Erstens entfallen Schleifen, Honen oder Richten; zweitens reduzieren sich Ausschussquoten, weil Ausschleifer praktisch nicht mehr vorkommen. Gleichzeitig sinkt der Energiebedarf, da niedrigere Temperaturen ausreichen und kein Öl abgeschreckt werden muss. Unternehmen, die ihre CO₂ Bilanz verbessern oder REACH Konformität sicherstellen wollen, finden im Plasmanitrieren ein Verfahren ohne toxische Härtesalze oder explosive Ofenatmosphäre.

Nachhaltigkeit und Arbeitssicherheit

Wo Einsatzhärten Ölabschreckbäder und Abgase mit sich bringt, arbeitet PLASNIT® nahezu emissionsfrei. Das ionisierte Gas wird innerhalb des Kammerkreislaufs recycelt, Chrom(VI) oder Cyanide treten nicht auf. Wird der Ofen mit Ökostrom betrieben, ist der Prozess sogar klimaneutral. Darüber hinaus profitiert das Personal von einer sauberen, geruchlosen Arbeitsumgebung ohne Explosionsgefahr.

Perfekt für den Mobilitätswandel

Der Umstieg auf E Antriebe bringt neue Getriebekonzepte: kompakte Planetenstufen mit Innenverzahnungen, die hohe Drehmomente leise übertragen sollen. Dünnwandige Hohlräder sind hier das Herzstück. Mit PLASNIT® lassen sie sich ohne geometrische Kompromisse härten. Das erleichtert Leichtbau, reduziert Geräuschentwicklung und verlängert die Lebensdauer – allesamt Schlüsselziele in elektrischen Fahrzeugen. Neue Produktionslinien können Plasmanitrierprozesse von Beginn an integrieren; bestehende Fertigungen lassen sich mithilfe schlüsselfertiger MICROPULS® Anlagen nachrüsten.

Praxisbeispiel:
Allrad-Nutzfahrzeugachse

Ein Hersteller von schweren Allradachsen setzte ursprünglich ein einsatzgehärtetes Innenzahnkranz Design ein. Trotz aufwendiger Spannvorrichtungen war ein Nachschleifen unvermeidlich, um die Güteklasse 7 zu erreichen. Nach der Umstellung auf PLASNIT® blieb die Rund und Planlaufabweichung so gering, dass kein einziger Schleifdurchgang mehr nötig war. Die Kosten pro Hohlrad sanken um rund 17 Prozent, die Durchlaufzeit verkürzte sich um fast zehn Prozent, und die Geräuschmessung auf dem Rollenprüfstand bescheinigte dem Getriebe eine gleichmäßigere Lastverteilung und einen hörbar leiseren Lauf.

So begleitet Sie RÜBIG zum verzugsfreien Zahnrad

Machbarkeitsanalyse

Sie senden Zeichnung & Werkstoff; wir prüfen Nitriertiefen, Verzugstoleranzen und Kosteneffekte.

Bemusterung & Prüfstandnachweis

Plasmanitrierte Probekörper & FZG-Tests liefern belastbare Daten für Ihre Freigabe.

Serienintegration

Lohnhärtung in unseren Werken oder MICROPULS® Anlage bei Ihnen – wir liefern das passende Konzept.

Support & Schulung

Prozessparameter, Qualitätssicherung und Instandhaltung – Ihr Team wird umfassend geschult.

Praxisbeispiel – Hohlrad Ø 125 mm, Modul 1,5

Erfolgreicher Wechsel von Dorn Einsatzhärtung zu PLASNIT® Plasmanitrieren

Flansch Ø 125 mm Breite 32 mm m = 1,5 Werkstoff 31CrMoV9

Ausgangslage

Ein schrägverzahntes Hohlrad für ein Planetengetriebe (Ø 125 mm, Breite 32 mm, m = 1,5) zeigte nach klassischer Dorn Einsatzhärtung erhebliche Maß- und Formabweichungen. Profil- und Flankenlinienfehler im Bereich mehrerer µm; die Rundheit des Bunds driftete deutlich ab. Nachträgliches Schleifen war zwingend – mit höheren Durchlaufzeiten und Kosten.

Umstieg auf PLASNIT®

Mustercharge bei unverändertem Werkstoff (31CrMoV9) wurde plasmanitriert. Der martensitische Abschreckschock entfällt: Beim PLASNIT®-Prozess diffundiert Stickstoff bei 500–580 °C in die Randzone; Abschrecken ist nicht notwendig.

Messergebnisse (n = 10)

Profil- und Flankenlinienabweichung: mehr als 50 % geringer vs. Dorn Einsatzhärtung.
Rundheit Bund: Verbesserung von ca. 50 µm auf < 25 µm.
Teilungsgenauigkeit: Halbierung der Summen- und Einzelsprünge.

≈ 50 %

weniger Profil-/Flankenfehler

< 25 µm

Rundheit Bund

Alle Verzahnungs- und Planlauftoleranzen blieben innerhalb der Endbearbeitungswerte – Hartnachschleifen entfiel.

Wirtschaftlicher Effekt

− 12–17 %

Gesamtkosten pro Hohlrad

− ~10 %

Fertigungs-durchlaufzeit

Einsparungen durch Wegfall von Schleifen, Richten und zusätzlicher Messzeit.

Mehrwert für den Kunden

Verzugsfrei & einbaufertig – sofortige Montage ohne Nacharbeit.
Geringere Stückkosten – zweistellige Einsparung pro Getriebe.
Stabile Qualität – reproduzierbare Toleranzen auch bei dünnen Wandstärken.
Nachhaltigkeit – keine Ölabschreckbäder, reduzierter Energiebedarf.

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DI David Unterberger

Vertriebsleiter Härtetechnik

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