DE19721219A1

DE19721219A1 - Zahnrad und Herstellverfahren

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Publication number: DE19721219A1
Application number: DE1997121219
Authority: DE
Original assignee: BULTYKHANOVA NATALIE
Current assignee: BULTYKHANOVA NATALIE
Priority date: 1997-05-21
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 1998-11-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad als Bestandteil eines Antriebes oder einer mechanischer System, das insbesondere aus kaltumgeformten Eisenlegierungen hergestellt ist, einen Verfahren um das Werkstück anzufertigen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2, einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das Zahnrad zu härten gemäß Patentanspruch 13.

Insbesondere in der Automobilindustrie ist man zur Reduzierung der Herstellkosten von Motoren- und Getriebenkomponenten bestrebt, möglichst eine Vielzahl von Bauelementen aus Metallegierungen herzustellen, die besonders preiswert und effizient zu fertigen sind, um somit Fertigungskosten zu sparen. In den letzten Jahren wurden dabei erhebliche Anstrengungen unternommen, auch Teile von Motoren, Getrieben, Turbinen und der Antriebsräder von und Pumpen, beispielsweise Ölpumpen aus kaltumgeformten Eisenlegierungen herzustellen und anschließend zu härten, daß eine ausreichende Lebensdauer der Räder zu erreichen wäre. Besondere Schwierigkeiten beim Härten der kalt umgeformten Eisen- bzw. Metallegierungen treten bei Verschleißflächen auf, bei denen zwei Bauelemente aufeinandergleitend bewegt werden, wie dies beispielsweise bei Ölpumpenantrieben von Verbrennungsmotoren oder bei einer Getriebe und dem angetriebenen Zahnrad einer Ölpumpe, beispielsweise einer Innenzahnradpumpe vorkommt.

Bei den bisher für derartige Anwendungszwecke eingesetzten Eisenlegierungen konnten die verschleißbeanspruchten Abschnitte durch geeignete Oberflächenbehandlungsverfahren, wie beispielsweise Einsatzhärten oder durch Aufbringen eines Verschleißschicht, eines Nitrierschichtes gegen vorzeitigen Verschleiß geschützt werden. Dabei werden zur Zeit immer noch bestehenden Verfahren, wie Gas- oder Plasmanitrieren angewandt.

Bei Eisenmetallegierungen sind derartige Oberflächenbehandlungsverfahren nur mit großem Aufwand durchführbar. So wird beispielsweise in ein Verfahren zum Nitrieren von Zahnräder von Ölpumpenantrieben vorgeschlagen, bei dem die aus einer kalt umgeformt hergestellten Zahnrad in einer Stickstoffumgebung bei mindestens 550 C innerhalb von mehreren Stunden 5 und mehr behandelt werden, so daß sich an der Oberfläche des behandelten Werkstückes eine Nitridschicht ausbildet, die eine hinreichende Verschleißfestigkeit aufweist. Ein derartiges Verfahren bedarf jedoch aufgrund der einzusetzenden Hochtemperatur (deutlich über der Anlaßtemperatur) und mehreren Prozeßstunden eines erheblichen Kosten raubenden Aufwandes und ist in der Großserienproduktion ist zwar akzeptiert aber benötigt nachträglichen Finisching der Oberfläche und die durch das Umformprozeß als Begleiteffekt erzeugte Werkstoffeigenspanung wird eliminiert, so daß die natureigene Vorzüge des Kaltumformprozesses nicht zum Tragen kommen, dabei wird weiterhin nach preisgünstigeren Lösungsmöglichkeiten gesucht.

Auch das Aufbringen sonstiger Verschleißschichten wie z. B. durch das Einsatzhärten bedarf eines erheblichen fertigungstechnischen und vorrichtungstechnischen Aufwandes und belastet das Umwelt enorm, so daß derartige Beschichtungen lediglich aus dem Notstand eingesetzt werden, während sich derartige Lösungen in der Großserienproduktion aus Umweltgründen sehr kostenspielig sind und weiterhin preislich unattraktiver werden.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad mit sehr gutem Verschließschutz zu schaffen, das mit extrem preiswerten Methoden herstellbar ist, die Produktionskosten spart und verbesserte Laufeigenschaften in Praxis nachweist. Weiterhin wir eine preiswerte und technisch überlegende Verfahren zum Behandeln der Oberflächen vom Zahnrad zu schaffen, mit denen bei minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand der artigen Zahnrad herstellbar wird. Ergänzend wird die Aufgabe gestellt, hilfsweise ein Härteprozeß zu schaffen, das die Vorzüge der kaltumgeformten Zahnräder nicht mindert und ergänzende Verschleißschutz anbietet.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Komponents, Zahnrad durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich des Herstellverfahrens für das Zahnrad durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 2, 8 und 10 und hinsichtlich des Härteverfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 13 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, an der Matrix des Grundwerkstoffes, aus dem das Zahnrad hergestellt ist, Fluorkohlenwasserstoffmoleküle, insbesondere die Ionen von Polyfluorethermolekülen chemisch oder physikalisch anzulagern, wird eine Ionen- oder Molekülschicht auf der Zahnradoberfläche ausgebildet, die verhindert, daß beispielsweise bei einer Gleitpaarung die Zahnradoberflächen direkt aufeinander abgleiten und dabei durch die härtz'ischen Flächenpressungen nicht zum Ausfall des Zahnrades führen.

Es handelt sich dabei um eine molekulare Oberflächenbelegung, so daß die Maßhaltigkeit des Zahnrades in kleinster Weise verändert wird. Bei den Voruntersuchungen im Rahmen der Entwicklung der vorliegenden Erfindung zeigte es sich, daß die Moleküle oder Ionen nicht zwangsweise an derjenigen Stelle verbleiben, an der sie sich zum ersten Mal angelagert haben, sondern daß bei einer Verschleißbeanspruchung des Zahnrades ein Ion oder ein Molekül von seiner ersten Belegungsposition entfernt wird und sich an einer anderen Stelle der Lauffläche anlagert, so daß stets die Ausbildung einer Molekül/Ionen-Schicht auf der Arbeitsfläche gewährleistet ist und somit einem vorzeitigen Verschleiß entgegengewirkt werden kann. Die Anlagerung der Moleküle und/oder Ionen kann dabei in Abhängigkeit von den eingesetzten Materialien (Werkstoff des Zahnrades, Molekülart) durch chemische Bindung oder durch physikalische Adhäsion erfolgen.

Als besonders gut geeignet haben sich Ionen des Typs CF⁺, C₂F⁺, CF₃⁺, C₂F₄⁺, C₂F₅⁺, C₃F₅⁺, C₃F₆⁺, C₃F₇⁺, CFO⁻, CF₃O⁻, C₂F₃O₂⁻, C₃F₅O⁻, C₃F₅O₂⁻ (allgemein: C_mF_n⁺ (m, n ≧ 1); C_aF_bO_c⁻, (a,b,c ≧ 1)) herausgestellt.

Die Polyfluorethermoleküle können an Seitenketten auch Sauerstoff- oder Wasserstoffgruppen aufweisen.

Zur Vergleichmäßigung der Ionen-/Molekülbelegung kann das oberflächenbehandelte Zahnrad nach der Anlagerung der Ionen/Moleküle mit einer Scherkraft beaufschlagt werden, beispielsweise indem das Zahnrad einer Gleitbeanspruchung unterzogen wird, so daß sich die Ionen in der bereits vorstehend beschriebenen Weise gleichmäßig über die verschleißbeanspruchte Oberfläche verteilen.

Eine besonders gute Anhaftung der Ionen/Molekülschicht erhält man, wenn dem Anlagerungsschritt ein Reinigungs- und/oder Trocknungsschritt vorgeht, durch den die Werkstückoberfläche konditioniert wird.

Eine besonders gleichmäßige Verteilung der Ionen/Molekülschicht mit minimaler Schichtdicke erhält man, wenn die Fluorkohlenwasserstoffmoleküle in verdünnter (aufgelöste) Form angewendet werden.

Die Oberflächenbehandlung des Zahnrades läßt sich besonders vorteilhafter Weise in einer Plasmakammer durchführen, in der ein Trägergas und die Fluorkohlenwasserstoffmo leküle ionisiert werden können. Besonders geeignet für die Verwendung als Trägergas zur Vorbehandlung des Werkstücks ist Stickstoff, Kohlendioxid, Metan, Sauerstoff oder ein Edelgas, wobei das ionisierte Trägergas etwa 1-15 Minuten auf das Werkstück einwirkt und in der Plasmakammer ein Druck von weniger als 1 Pa und eine Temperatur von mehr als 70°C eingestellt wird.

Falls die Gleitflächen zusätzlich noch durch Schmiermittel gegen Verschleiß geschützt werden sollen, sollte das Schmiermittel derart gewählt werden, daß das angelagerte Ion/Molekül nicht durch das Schmiermittel an sich von der Werkstückoberfläche gelöst werden kann. Bei besonderen Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, wenn dem Schmiermittel ein Schmiermittelzusatz hinzugefügt wird, der das Lösen des Moleküls/Ions von der Werk stückoberfläche ermöglicht. Dieser Schmiermittelzusatz wird allerdings derart eingestellt, daß das gelöste Molekül/Ion wieder aus dem Schmiermittel heraus an einer anderen Steile der Werkstückoberfläche angelagert wird, so daß sich praktisch eine selbstregenerierende Schutzschicht einstellt, die eine direkte Berührung der aufeinander abgleitenden Werkstückflächen verhindert.

Das erfindungsgemäße Herstellverfahren für das Zahnrad läßt sich besonders vorteilhaft bei Räder aus Eisenlegierungen, beispielsweise bei kaltumgeformten Werkstoffen einsetzen, wobei sich besonders gute Ergebnisse bei Räder einstellen, die nach dem Kaltumformprozeß eine natürliche Eigenspannung in der Oberflächenbereich erhalten, die von Haus aus ein gewisse Verschleißschutzeigenschaften liefert. Dabei werden folgende Eisenlegierungen bevorzugt xxxxx.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn an der Werkstückoberfläche Ausnehmungen zur Vergrößerung der Anlagerungsfläche ausgebildet werden. Diesen werden automatisch bei den Tiefzieh-, Kaltpress- Kaltumform- und derartigen Prozesse schon bei der Formgebung erzeugt, so daß das Gesamtproduktionsprozeß erheblich vereinfacht wird.

Wie bereits vorstehend erwähnt, beinhaltet die Erfindung auch ein Schmiermittel mit einem Schmiermittelzusatz, der das Lösen und Wiederanlagern der Moleküle/Ionen von der bzw. an die Werkstückoberfläche ermöglicht. Ein derartiges Schmiermittel wäre beispielsweise nur für die Anwendung in Getrieben geeignet, deren mit Schmiermittel versorgte Gleitflächen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbehandelt wurden und somit eine Fluorkohlenwasser-stoffmolekül-/Ionen-Schicht aufweisen.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Im folgenden werden einige Anwendungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Plasmakammer zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 und 4 Atommassenspektren eines unbehandelten Zahnrades;

Fig. 5 und 6 Atommassenspektren eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oberflächenbehandelten Zahnrades;

Fig. 7 das Oberflächenprofil eines unbehandelten Zahnrades;

Fig. 8 das Oberflächenprofil einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oberflächenbehandelten Zahnrades;

Fig. 9 ein Vergleich der Antriebskräfte zum Antrieb bei einer mechanische System mit unbehandelten Zahnräder und mit Zahnrädern, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oberflächenbehandelt wurden;

Fig. 10 einen für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeigneten Vakuumsystem zum Härten des Zahnrades.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das Zahnrad selbst und erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Zahnrades vorgeschlagen. D.h., bei diesem Anwendungsbeispiel wird ein Zahnrad angeboten, dessen Werkstoffmatrix im wesentlichen Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen enthält, und das mittels eines Kaltumformprozesses hergestellt ist. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen Werkstoffen und Werkstücken einsetzbar. So lassen sich beispielsweise - wie noch nicht erwähnt - die Zahnräder und sonstige einem Verschleiß ausgesetzte Gleitpaarungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandeln, wobei diese Bauelemente aus beliebigen metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise aus den Aluminiumlegierungen, aus Grauguß, etc. Stahl oder auch aus spanabhebend hergestellt werden können.

Eine weiterer Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich auf die Vorbehandlung von Umformwerkzeugen selbst, beispielsweise aus Werkzeugstählen, die spanabhebend bzw. durch Funkenerosion gefertigt werden, wobei sich gezeigt hat, daß durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Verschleiß der behandelten Werkzeuge auf ein Bruchteil gegenüber einer unbehandelten Werkzeugoberfläche reduzierbar ist. Dabei wird weitere Kostenreduzierungsmöglichkeit ersichtlich, bei der die oben beschriebenen Ionen oder Moleküle von der Werkzeugoberfläche auf die von dem Zahnrad übertragbar sind, und damit spätere Extrabehandlung des Zahnrades sich erübrigt.

Weitere Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden näher beschrieben, wobei die Aufzählung der Anwendungsbereiche keinesfalls abschließend ist.

Bei dem im folgenden beschriebenen Verfahren wird der aus einer Kaltumformeisen- Legierung hergestellte Zahnrad 1 in eine Plasmakammer 2 eingebracht, in der die Oberflächenbehandlung vorgenommen wird. Die zu behandelnde Zahnlauffläche 3 (gestrichelt in Fig. 1) muß dabei möglichst so in der Plasmakammer 2 angeordnet werden, daß die ionisierten Gase die Verzahnungsbereiche ohne Behinderung durchsetzen können.

Die Plasmakammer 2 hat den üblichen Aufbau, so daß der Einfachheit halber in der Folge nur die wesentlichen Bauelemente beschrieben werden und hinsichtlich weiterer Details auf die vorhandene Fachliteratur verwiesen wird. Zur Ionisierung des sich in der Plasmakammer 2 befindlichen Gases hat diese zwei Elektroden 4, 5, über die die zur Ionisierung der Gase erforderliche Gleichspannung oder eine hochfrequente Wechselspannung anlegbar ist.

Die Zuführung der Gase erfolgt über Zuführleitungen 6, 7, wobei der Zuführleitung 6 beispielsweise Trägergase und Vorbehandlungsgase wie Stickstoff, Kohlendioxid, Methan, Sauerstoff oder Edelgase zuführbar sind. Über die Zuführleitung 7 wird der erfindungsgemäße Fluorkohlenwasserstoff eingebracht, wobei beim vorgestellten Ausführungsbeispiel polyfluoretherhaltige Gase zugeführt werden, die entweder bereits mit einem Trägergas versetzt in einer vorbestimmten Konzentration zugeführt werden oder aber in oder vor der Plasmakammer durch entsprechende Einstellung der Volumenströme in den Zuleitungen 6, 7 gemischt werden, so daß sich in der Plasmakammer 2 eine vorbestimmte Konzentration an Trägergas und/oder Polyfluorethermolekülen einstellen läßt.

Die Plasmakammer 2 ist des weiteren mit einer Pumpe 8, vorzugsweise einer Vakuumpumpe und einem Wärmetauscher 9 versehen, über die sich in dem Inneren der Plasmakammer 2 vorbestimmte Betriebsbedingungen einstellen lassen. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel wird im Inneren der Plasmakammer ein leichter Unterdruck von beispielsweise 0,5 Pa und eine Temperatur von beispielsweise 120°C eingestellt. Durch Anlegen der Spannung an die Elektroden 4, 5 wird das zugeführte Prozeßgas (Trägergas, Fluorkohlenwasserstoff, insbesondere Polyfluorether) in seine Ionen zerlegt, so daß die Außenumfangsflächen des Zahnrades 1 durch die Ionen beaufschlagt werden. Diese derart eingestellten Betriebsbedingungen werden eine vorbestimmte Zeitdauer konstant aufrecht erhalten, wobei ständig eine Steuerung und Regelung der Temperatur, des Druckes und der Gaskonzentration in der Plasmakammer 2 erfolgt, so daß konstante Betriebsbedingungen gewährleistet sind. Die Einwirkdauer des ionisierten Gases richtet sich unter anderem nach dem Material des Werkstückes - hier des Zahnrades 1 - und nach der Komplexität des Werkstückaufbaus wobei sehr unregelmäßige Werkstückgeometrien eine längere Einwirkzeit benötigen, um dem ionisierten Gas die Möglichkeit zu geben, sich gleichmäßig auf der Werkstückoberfläche anzulagern.

In Fig. 2 ist ein Ablaufschema eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenvorbehandlung des Zahnrades 1 dargestellt. Demgemäß wird der Zahnrad 1 zunächst im Schritt S1 auf Maß durch Kaltumformprozeß gefertigt, wobei diese Maßfertigung möglich ist, da durch die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung lediglich eine Schutzschicht bzw. molekulare Belegung in Molekülstärke aufgetragen wird, so daß keine Anpassung der Fertigungsmaße erforderlich ist.

Nach der Fertigung des Zahnrades 1 wird dieser mit einem geeigneten Verfahren gereinigt (Schritt S2), wobei beispielsweise geeignete Reinigungsmittel aufgetragen werden können.

Wie mit Schritt S3 angedeutet ist, kann zusätzlich oder alternativ zu dem Reinigungsschritt S2, in dem ein Reinigungsmittel aufgetragen wird, eine Vorbehandlung der Zahnradoberfläche durch Plasmaätzen (53) erfolgen, wobei der Plasmaätzvorgang in der in Fig. 1 dargestellten Plasmakammer erfolgen kann. Dabei werden über die Zuleitungen 6, 7 je nach Material des vorzubehandelnden Werkstückes Gase zugeführt, deren Ionen etwaige Verunreinigungen oder Oxidschichten auf der Oberfläche des Werkstückes ablösen, so daß eine hochreine Oberflächenqualität erzeugt wird.

An den Reinigungsschritt schließt sich in der Regel ein Trocknungsschritt S4 an, bei dem das Reinigungsmittel von der Werkstückoberfläche entfernt wird.

In dem Fall, in dem das Zahnrad keinem Plasmaätzschritt (S3) unterzogen wurde, wird das Zahnrad nach dem Reinigungs-/Trocknungsschritt (S2, S4) in die in Fig. 1 dargestellte Plasmakammer 2 eingebracht, und es wird durch die Zuführleitung 6 Sauerstoff zugeführt, der in der Plasmakammer 2 ionisiert wird. Anstelle des Sauerstoffes können auch andere Gase, wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid, Methan, SF6 oder Edelgase verwendet werden.

Bei Zahnrad 1 wird jedoch im Schritt S5 vorzugsweise Edelgase oder ein anderes chemisch unaktiven Gas zugeführt, so daß sich an der Zahnradoberfläche Matrixstrukturen mit einem vorbestimmter bzw. voraufgebauter Oberflächeneigenspanung und einer vorbestimmten Oberflächenhärte, die beim Kaltumformen entstehen, bestehen bleibt, die gezielt durch die Betriebsbedingungen (Konzentration des Prozeßgases, Temperatur, Druck) einstellbar sind. Nach einer vorbestimmten Einwirkzeit dieser Ionen ist die Vorbehandlung des Zahnrades 1 abgeschlossen.

Im Anschluß daran erfolgt die eigentliche Oberflächenbehandlung des Werkstückes, in die durch die Zuleitung 7 die mit Trägergas versetzten Fluorkohlenwasserstoffe zugeführt werden, wobei - wie bereits erwähnt - Polyfluorethermoleküle bevorzugt werden (Schritt 56), Nachdem im Inneren der Plasmakammer 2 die vorbestimmten Betriebsbedingungen eingestellt sind (Schritt S7), wird eine Spannung an die Elektroden 4, 5 angelegt so daß die Polyfluoretamoleküle des Typs (CF₂CF₂)_nO(CF₂CF₂)_m in ihre Ionen zerlegt werden, wobei positive Ionen des Typs CF⁺ (Molekulargewicht 31), C₂F⁺ (Molekulargewicht 43), CF₃⁺ (Molekulargewicht 69), C₂F₄⁺ (Molekulargewicht 100), C₂F₅⁺ (Molekulargewicht 119), C₃F₅⁺ (Molekulargewicht 131), C₃F₆⁺ (Molekulargewicht 150) und C₃F₇⁺ (Molekulargewicht 169) entstehen. Die Plasmakammer enthält des weiteren negative Ionen des Typs CFO⁻ (Molekulargewicht 47), CF₃O⁻ (Molekulargewicht 85) C₂F₃O₂⁻ (Molekulargewicht 135), C₃F₅O⁻ (Molekulargewicht 147) und C₃F₅O₂⁻ (Molekulargewicht 163). Diesen werden später als wichtigste Bestandteil der mechanischer System, in der das Zahnrad 1 erfindungsgemäß angeboten wird, in der Zahnradoberflächenmatrix verschließschutzend arbeiten.

Bei der Verwendung eines anderen Fluorkohlenwasserstoffes können sich selbstverständlich auch andere Ionen mit der allgemeinen Formel Cn Fm+ (m, n ≧ 1) und C_aF_bO_c⁻ (a,b,c ≧ 1) einstellen. Dabei sind natürlich auch die Seitenkettengruppen anwendbar, die das Schutzeffekt verstärken können.

Die derart gebildeten Ionen und Molekülkettenbestandteile lagern sich bevorzugt an der im Schritt S5 erzeugten Zahnradoberfläche an, wobei die Fe-N- Bindung aufgebrochen wird, so daß die Ionen und Molekülkettenbestandteile an den Fe⁺ bzw. N⁻ Atomen der Werkstoffmatrix des Zahnrades angelagert werden. In diesem Fall handelt es sich um eine chemische Bindung. Es ist jedoch auch möglich, daß die Ionen durch die physikalische Absorption an der Zahnradoberfläche angelagert bzw. festgehalten werden.

Nach der vorbestimmten Einwirkzeit, die je nach Zahnradmaterial und -geometrie 1-15 Minuten betragen kann, werden die ionisierten Gasbestandteile abgepumpt und das vorbehandelte Zahnrad aus der Plasmakammer 2 entnommen.

Bei den sehr kostspieligen Vorversuchen zeigte sich überraschender weise, daß sich die Verteilung der angelagerten Ionen/Molekülkettenbestandteile während des Einsatzes des Werkstückes, d. h. dann, wenn die Zahnfläche während des Betriebs des Zahnrades und der Getriebe beansprucht werden (beispielsweise durch Scherkräfte), die Ionen/Molekülketten von ihren ursprünglichen (nach der Plasmabehandlung) Bindungsstellen abgeschert werden und sich anschließend an einer anderen Stelle der Lauffläche wieder anlagern, so daß beispielsweise Ionen aus Flächenbereichen mit einer hohen Belegungsdichte zu Bereichen mit niedriger Belegungsdichte transferiert werden. Durch diese ständige Umformung der Belegungsstruktur während des Zahnradeinsatzes werden auch unbedeckte Oberflächenbereiche wieder mit einer Ionen/Molekülbelegung versehen, so daß sich praktisch ein "selbstheilender" Effekt einstellt, durch den verhindert wird, daß während des Gebrauches unbedeckte Stellen entstehen, bei denen die Gefahr besteht, daß die reinmetallischen und mit Öl unvernetzten Zahnradoberflächen direkt aufeinander abgleiten und somit vorzeitig verschleißen.

Da somit während des Zahnradeinsatzes eine Vergleichmäßigung der Ionen/Molekül- Schicht erfolgt, bildet sich die eigentliche Verschleißschicht - wie im Schritt S9 angedeutet - erst während des Zahnradeinsatzes aus. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren, bei denen die aufgebrachten Schichten während des Werkstückeinsatzes abgetragen werden und in der Regel durch eine geeignete Nachbehandlung wieder aufgetragen werden müssen.

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß die Ionen/Molekülkettenbestandteile die Eisen-nitrid- bzw. Eisen-Oxid-Bindung aufbrechen und sich entsprechend an lagern. Da jedoch metallische Oberflächen in der Regel inhomogen ausgebildet sind und je nach Legierungsbestandteil auch Si⁺, Co⁺, Ni⁺, Ti⁺, W⁺, O⁺, Al⁻, H⁺- Ionen etc. in der Werkstoffmatrix des Zahnrades zugänglich sind, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Werkstücken ohne Oxid- bzw. Nitridschicht eingesetzt werden.

In den Fig. 3 bis 6 sind Ergebnisse einer Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) dargestellt, wobei in den Fig. 3 und 4 die Spektren einer unbehandelten Probe eines Zahnrades aus einer Stahllegierung und in den Fig. 5, 6 die Spektren einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Zahnrad der gleichen Legierung dargestellt sind.

Bei dem SIMS-Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Untersuchung der Oberflächen von Festkörpern, wobei die Probenoberfläche im Hochvakuum mit einem Ionenstrahl (O, Cl, Argon, etc.) beschossen wird, wodurch ionisierte Teilchen aus der Oberfläche herausgeschlagen werden. Diese Sekundärionen werden wie in der Massenspektroskopie üblich analysiert. Das SIMS-Verfahren kann so betrieben werden, daß nacheinander einzelne Schichten der Probenoberfläche abgetragen und analysiert werden können, woraus man ein Bild nicht nur von der Zusammensetzung sondern auch von der Verteilung der Komponenten, zum Beispiel in der Legierung, erhalten kann. Durch Anpassung des Primärionenstrahles kann die SIMS auch derart gesteuert werden, daß das Verfahren praktisch zerstörungsfrei abläuft, so daß nur die oberste Werkstückschicht angegriffen wird. Hinsichtlich weiterer Details des SIMS-Verfahrens sei auf die vorhandene Fachliteratur verwiesen.

In den Fig. 3 bis 6 sind jeweils die Anzahl der pro Sekunde erfaßten Ionen über dem Atomgewicht (Atommasse) dargestellt. Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, enthält das Atommassenspektrum der unbehandelten Probe lediglich Ionen, wie sie üblicherweise in Stahlverbindungen vorkommen: beispielsweise Na⁺, SF⁺, K⁺, diverse Kohlenwasserstoffverbindungen, CH₃⁺, C₂H₃⁺, etc.

Die Atommassenspektren der oberflächenbehandelten Probe enthalten dagegen neben den bereits bei der unbehandelten Probe ermittelten Ionen auch fluorhaltige Ionen und Molekülkettenbestandteile, so daß sich demgemäß die oberflächenbehandelte Probe hinsichtlich der Zusammensetzung wesentlich von des unbehandelten Zahnrades unterscheidet. Dabei ist festzuhalten, daß die den Fig. 5 und 6 entnehmbare Zusammensetzung in der Regel nur an der obersten Werkstoffschicht ausbildet.

In den Fig. 7 und 8 sind die Oberflächenprofile einer unbehandelten Probe aus einer Stahllegierung (Fig. 7) und eines oberflächenbehandelten Zahnrades mit der gleichen Zusammensetzung und nach dem gleichen Verfahren hergestellt, gezeigt.

Daraus geht hervor, daß die Oberflächenrauhigkeit beiden Zahnräder keine wesentlichen Unterschiede aufweisen, woraus sich schließen läßt, daß die angelagerten Ionen/Molekülkettenbestandteile lediglich in Molekülstärke aufgebracht werden, so daß die Rauhtiefen der Zahnradoberfläche nahezu unverändert bleiben und somit auch eine Maßhaltigkeit nach des Herstellprozesses gewährleistet ist.

Bei einem praktischen Einsatz des erfindungsgemäß angebotenen Zahnrades zeigte sich, daß bei Verwendung von behandelten Zahnräder mit herkömmlichen Zahnräder an den oberflächenbehandelten Zahnräder praktisch auch unter Vollast nach längerer Zeit kein nennenswerter Verschleiß meßbar ist, so daß das erfindungsgemäße Zahnrad aus tribologischer Sicht hoch interessante Möglichkeiten eröffnet.

Die Standzeit der oberflächenbehandelten Zahnräder läßt sich weiter verlängern, wenn ein Schmiermittel verwendet wird, dem ein Schmiermittelzusatz zugemischt wird, der ein Lösen der Ionen/Molekülkettenbestandteile von der Werkstückoberfläche ermöglicht. Dabei ist das Schmiermittel selbst, d. h. ohne Schmiermittelzusatz, nicht dazu geeignet, um die Ionen/Molekülkellenbestandteile zu lösen. Durch diesen Schmiermittelzusatz wird der "selbstheilende" Effekt verstärkt, so daß Ionen/Molekülkettenbestandteile während des Betriebes gelöst und an anderen Stellen der Zahnradoberfläche wieder angelagert werden können, so daß eine ständige Regeneration der Oberflächenbelegung erfolgt. Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, wenn dem Schmiermittel selbst bereits Molekülkettenbestandteile des verwendeten Fluorkohlenwasserstoffes - beispielsweise Polyfluorether - zugemischt wird, so daß die Regeneration der Verschleißschicht verbessert werden kann. Wobei die wichtigste und erfinderische Unterschied darin besteht, daß ein ungehärtetes und kaltumgeformtes Zahnrad, als eine Bestandteil der mechanischer System angesehen wird, die die mit dem angebotenen Verfahren eine erfinderische Einheit darstellen, die:

- einerseits mit einem preiswerten Verfahren, also ohne Härten und durch schnelle Umformen, also ohne Zerspanen und damit deutlich preiswerter hergestellt wird,
- und andererseits mit einem überdurchschnittlichen Verschleißschutz, das zum einem durch die bereits im Werkstoff durch das Kaltumformen erzeugte "Verhärtung", die durch die Werkstoffeigenspanung bedingt wird, und zum anderem durch die erfindungsgemäße Behandlungsverfahren der Oberfläche des Zahnrades erzeugt wird,
und damit ein Gesamtkomplex bildet, das auf dem Markt nicht bzw. nicht in der Form vorhanden ist. Dabei ist der Ersparnispotential bei den Hersteller der Zahnräder bzw. in der Automobilindustrie durch Einführen des Herstellverfahrens enorm.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Umständen durch Verwendung des erfindungsgemäßen Schmiermittels läßt sich somit der Verschleiß zwischen zwei aufeinander abgleitenden Zahnräder wesentlich verringern, so daß sich beispielsweise bei Getrieben aufgrund der verringerten inneren Reibung ein wesentlich niedrigerer Wirkungsgradverlust einstellt. Die Verbrauchseinsparung kann dabei mehrere Prozentpunkte gegenüber herkömmlichen Getrieben betragen. Interessanterweise ist es häufig hinreichend, wenn nur ein Teil der Gleitpaarung oberflächenbehandelt also mit dem Verfahren hergestellt wird.

Wie bereits vorstehend erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren keinesfalls auf die Anwendung bei den Zahnräder aus Stahllegierungen beschränkt.

Vorversuche des Erfinders zeigten, daß sich auch mit Erfolg keramische Werkstoffe (silicatkeramische Werkstoffe, oxidkeramische Werkstoffe, nicht-oxidische keramische Werkstoffe) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbehandeln lassen, um beispielsweise die Standzeit von aus diesen Materialien hergestellten Werkzeugen, Umformwerkzeuge zum Kaltumformen, zu erhöhen.

In Fig. 9 ist die von einem Antriebsmotor zur Drehung des Zahnrades bzw. zum Experiment aufgebauten Strand aufzubringende Antriebsmoment "M" in Abhängigkeit vom Drehgeschwindigkeit ω dargestellt, wobei der linke Graph die bei einer unbehandelten Zahnrad aufzubringenden Antriebsmoment "M" und der in Fig. 10 rechte Graph die bei einem oberflächenbehandelten Zahnrad, das gem. der Erfindung hergestellt ist, aufzubringenden Antriebsmoment wiedergibt.

Demgemäß ist das aufzubringende Antriebsmoment beim Einsatz eines erfindungsgemäß vorbehandelten Zahnrades erheblich geringer als diejenige Antriebsmoment, das bei einem unbehandelten Zahnrad aufgebracht werden muß. Des weiteren zeigt das Antriebsmoment für das unbehandelte Zahnrad sehr starke Schwankungen, das vom Umdrehungsgeschwindigkeit ω stark abhängig ist, so daß eine Vibration freie Funktion der Getriebe nur bedingt durchführbar ist. Demgegenüber muß bei dem oberflächenbehandelten Zahnrad über den gesamten Spektrum der Umdrehungsgeschwindigkeit ω eine nahezu konstante Antriebskraft aufgebracht werden, wodurch die Vibrationen gegenüber der herkömmlichen Lösung erheblich gesenkt werden.

Aufgrund der geringeren Antriebskraft kann das mit einem oberflächenvorbehandelten Zahnradanordnung versehene Getriebe mit wesentlich wenige Energie in seine Soll- Geschwindigkeit gebracht werden, so daß das Gesamtverbrauch bzw. Energieverlust der Getriebe zu reduzieren ist.

Ein weiterer Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Vorbehandlung von Umform- insbesondere Kaltumformwerkzeugen, so daß diese auch zur Bearbeitung nicht oder nur sehr schwer umformbaren Materialien, wie beispielsweise Edelstahl, Nickel, etc. geeignet sind.

Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung von verschleißbeanspruchten Laufflächen eines Zahnrades, bei dem an der Werkstückoberfläche Ionen oder Molekülkettenbestandteile von Fluorkohlenwasserstoff-Molekülen angeordnet werden, und der mittels der Kaltformgebung umgeformt ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn Ionen von Polyfluorether-Molekülen angelagert werden. Die Anlagerung kann dabei durch physikalische Adhäsion oder durch chemische Bindung erfolgen. Prinzipiell läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Zahnräder anwenden, die besonders durch die kalte Formgebung schon eine eigene Oberflächeneigenspanung erhalten.

Sollte es aber trotzdem oben vorgeschlagene Arbeitsweise des Zahnrades eine zusätzliche Eigenschaft, wie zum Beispiel Härte das ist, gewünscht, so wird ergänzend zum Ablauf ein weitere erfindungsgemäß gemachte Schritt vorgeschlagen, der eine Erzeugung von Nitridschichten in der Zahnradoberfläche voraussieht.

Dabei wird besonders darauf hingewiesen, daß die Erzeugung der Oberflächennitriden, keine reduzierende Wirkung auf die mit dem Kaltumformprozeß erzeugte Oberflächeneigenspannung hat, so daß alle Vorzüge des preisgünstigen Umformprozesses erhalten bleiben.

In der Fig. 10 wird dieses Prozeß anhand einer prinzipieller Schema der Vakuumsystem erörtert, die die erfinderische Besonderheit besitzt, ein Nitridenerzeugungsprozeß zu ermöglichen, das unter der Anlaßtemperatur der Zahnräder durchgeführt wird. Wesentliche Unterschied der System bzw. des Prinzips liegt darin, daß die Nitriderzeugungsprozesse durch den Beschuß nur eines Reaktionsgases abläuft, und das Reaktionsgas eine Mischung von eines oder mehreren Mono- bzw. Polymolekulargasen vorzugsweise N₂, CH₄, Ar₂, N₂, C2H₂ oder Ar₂, die keinen Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltigen Gas beinhalte. Ein weitere wesentliche Unterschied ist es, daß die Ionisation nicht durch die chemische Reaktion - wie es der Fall bei den marktgängigen Nitrierprozessen der Fall ist - sondern durch eine physikalische Ionenerzeugung verursacht wird. Das hat die Vorteil, daß keine "Abfallprodukte" der chemischer Reaktion in der Reaktionsatmosphäre, wo die Nitrierprozesse ablaufen, befinden, die das Nitrierprozeß erschweren, "verschmutzen" und in der Länge ziehen.

Ebenfalls ist die Vorteil des erfinderischen Prozesses überraschender weise festgestellt wurde, daß die Prozeßtemperatur von ca. 250 bis 350°C ausreichend ist, und dabei die Nitridschichterzeugung extrem schnell (in der Regel ca. 1 µm pro Minute) abläuft. Diesen beide Feststellungen wurden bei der Entwicklung der Technologie vom Markt mit sehr große Interesse und Aufmerksamkeit entgegengenommen.

Das Verfahren zum Erhöhen der Oberflächenhärte des Zahnrades (wie es in dem Anspruch 13, dargestellt ist) um die Härteerzeugungsprozesse unter dem folgenden Niedrigtemperaturablauf ohne Veränderung der Geometrie und Abmessung des Zahnrades zu ermöglichen, wird die folgende Vakuumeinrichtung vorgeschlagen, die mit den folgenden Verfahrensschritten abläuft:

- Installation des Zahnrades in einer Vakuumkammer, in der ein Arbeitsdruck von 0,001 bis 1 Paskal erzeugt wird;
- eine Arbeitsgasatmosphäre von N₂, CH₄ oder/und Ar₂ aufgebaut, und bei Anlegen von einer Spannung von 1500 V und Stromquelle von 20 A an das Zahnrad als Werkstück das Plasmareinigungsprozeß durchgeführt wird;
- anschließend wird eine Ionisation des Reaktivgases (106), das aus einem oder mehreren gleichzeitig Mono- bzw. Polymolekulargasen vorzugsweise N₂, CH₄, Ar₂, N₂, C2H₂ oder Ar₂ besteht, erzeugt, die durch folgenden Ablauf des Ionisationsprinzips hervorgerufen wird - das folgende Vorgänge bei behält:
- das Verdampfen eines Elektrodes (100) bestehenden vorzugsweise aus Titan oder Wolfram, wobei das Verdampfen durch das Zünden der Lichtbogen (103) mit Hilfe von Anlegen an den Elektrode (100) einer Spannung von 100 bis 200 V und der Stromquelle von 50 bis 500 Amper, wobei der Titanelektrode - als ein Kathode und das Zahnrad (1) als ein Anode (101) angeordnet sind
- durch das Verdampfen des Elektrodes (100) ein Strahl bestehend aus gleiche Menge von Elektronen (104) und von vorzugsweise Titanionen (105) auf den Zahnrad (1) gerichtet wird;
- durch das Abschirmen der Kammervolumen mit einer vorzugsweise metallischer Gitter (102), wo das Zahnrad installiert ist, wird nur die Anteil des Strahles durchgelassen, die aus den Elektronen (104) besteht;
- die Elektronen (104) ionisieren den Reaktivgas (106), die anschließend das Zahnrad (1) bombardieren;
- durch Abschalten der positiver Spannung vom Zahnrad (1) und Anlegen der negativer Spannung in der gleicher oder ähnlicher Höhe an den Zahnrad (1) wird ein Ionenbeschuß durch die erzeugten Ionen des Reaktivgases (106) erzeugt, um das Prozeß nicht unterbrechen zu müssen, wird die Kathodenentladung auf den in der Kammer installierte Elektrode (107) abgelenkt.
- Beim Entladen der positiver geladenen Ionen des Reaktivgases (106) an dem negativ geladenen Zahnrad (1) werden die harten Schichten - vorzugsweise Nitride - auf der Zahnradoberfläche gebildet.

Selbstverständlich ist die Anwendung des Nitriderzeugungsverfahrens nicht nur auf die kaltumgeformte Zahnräder und nicht nur auf die Zahnränder begrenzt. Das Verfahren läßt sich gut und mit extrem großen Kostenreduzierungspotential beim Nitrieren von Nocken- und Kurbelwellen, Tassenstößel, durch Zerspanung hergestellte Bauteile und Werkstücke, die einer maximaler Nitriertemperatur von ca. 250°C nicht überlegen dürfen, Kugel- und sonstigen Lager, sowie die Bauteile und Werkstücke, die eine Härte besitzen sollten anzuwenden.

Claims

1. Zahnrad als Funktionskomponente eines mechanischen Systems insbesondere der An triebssystem mit erhöhten Ressors an Lebensdauer und an der Sicherheit dadurch ge kennzeichnet, daß aus einer kaltumgeformte durch Tiefzeihen, Kaltformgeben, Pulver pressen hergestellten und aus ungehärteter Eisenlegierung besteht, und die beim Um formprozeß entstandene Materialeigenspannung spätestens nach Umformen eine Aus bildung einer molekularen Oberflächenbelegung durch Anlagerung von Ionen von Fluor kohlenwasserstoff-Molekülen, insbesondere von Polyfluorether-Molekülen des Typs (A) bzw. Bestandteilen (i bis xii) auf die Arbeits- bzw. Verschließoberfläche des Zahnrades besitzt, die spätestens wehrend des Einsatzes mit den Scherkräften beaufschlagen bzw. auf die Oberfläche verteilt werden, wobei

- die Molekül "A" die chemische Formel -(CF₂CF₂)O(CF₂CF₂)- bedeutet, und
- die Bestandteile (i bis xii) wie folgt zu definieren sind:
"i" = C₂F⁺, "vii" = C₃F₇⁺
"ii" = CF₃⁺, "viii" = CFO⁻,
"ii" = C₂F₄⁺, "ix" = CF₃O⁻,
"iv" = C₂F ⁺, "x" = C₂F₃O₂⁻,
"v" = C₃F₅⁺, "xi" = C₃F₅⁻,
"vi" = C₃F₆⁺ und "xii" = C₃FO₂⁻,
die Ionen mit Sammelformel des Typs, vorzugsweise C_nF_m⁺ (m, n ≧ 1) und C_aF_bO_c⁻ (a, b, c ≧ 1), vorzugsweise C₂F⁺, CF₃⁺, C₂F₄⁺, C₂F₅⁺, C₃F₅⁺, C₃F₆⁺, C₃F₇⁺ sowie CFO⁻, CF₃O⁻, C₂F₃O₂⁻, C₃F₅⁻ und C₃FO₂⁻ darstellen.

2. Herstellungsverfahren des Zahnrades nach Patentanspruch 1, mit dem Schritt:

- zum Kaltumformung geeignete Werkstuck bzw. Rohling kalt verformt wird, wodurch eine mit relativ große Eigenspannung entstandene Werkstoffmatrix ungehärtet spätestens unmittelbar danach
- eine molekulare Oberflächenbelegung durch Anlagern von Ionen von bzw. Fluorkohlen wasserstoff-Molekülen, insbesondere von Polyfluorether-Molekülen des Typs (A) und/oder der Ionen des Typs (i bis xii) mindestens an der Arbeitsoberfläche des Zahnra des ausgebildet wird und
- spätestens wehrend des Einsatzes des Zahnrades mit einer Scherkraft beaufschlagt wird, wobei:
- die Molekül "A" die chemische Formel -(CF₂CF₂)O(CF₂CF₂)- bedeutet, und die Bestandteile (i bis xii) wie folgt zu definieren sind:
"i" = C₂F⁺, "vii" = C₃F₇⁺
"ii" = CF₃⁺, "viii" = CFO⁻,
"iii" = C₂F₄⁺, "ix" = CF₃O⁻,
"iv" = C₂F₅⁺, "x" = C₂F₃O₂⁻
"v" = C₃F₅⁺, "xi" = C₃F₅⁻,
"vi" = C₃F₆⁺ und "xii" = C₃FO₂⁻,
die Ionen mit Sammelformel des Typs, vorzugsweise C_nF_m⁺ (m, n ≧ 1) und C_aF_bO_c⁻ (a, b, c ≧ 1), vorzugsweise C₂F⁺, CF₃⁺, C₂F₄⁺ C₂F₅⁺, C₃F₅⁺, C₃F₆⁺, C₃F₇⁺ sowie CFO⁻, CF₃O⁻, C₂F₃O₂⁻, C₃F₅⁻ und C₃FO₂⁻ darstellen.

3. Verfahren und das Zahnrad nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyfluorether-Moleküle an Seitenketten O- und/oder H-Gruppen aufweisen und eine molekulare Kettengröße von 800 bis 2500 Angström haben.

4. Verfahren und das Zahnrad nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anlagerung durch chemische Bindung oder mittels physikalische Ad häsion erfolgt.

5. Verfahren und das Zahnrad nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die behandelte Zahnradoberfläche nach der Anlagerung der Ionen mit einer Scherkraft beaufschlagt wird.

6. Verfahren und das Zahnrad nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Anlagerungsschritt ein Reinigungsschritt und/oder ein Trocknungsschritt und/oder ein Plasmaätzschritt vorgeschaltet ist.

7. Verfahren und das Zahnrad nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyfluorether-Moleküle verdünnt angelagert werden.

8. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyfluorether ei nem inerten Trägergas zugegeben und in einer Plasmakammer (2) ionisiert wird, in der das Zahnrad (1) aufgenommen ist.

9. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas N₂, CO₂, CH₄, O₂ oder ein Edelgas ist und das ionisierte Gas etwa 1 bis 15 Minuten auf das Zahnrad wirkt, wobei in der Plasmakammer (2) ein Druck von weniger als 0,1 bar, vor zugsweise 0,04 bar und eine Temperatur von mehr als 70°C, vorzugsweise 110°C herrscht.

10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schmiermittel ein Schmiermittelzusatz zugefügt wird, durch den das Fluorkohlenwasserstoff-Molekül oder -Ion von der Zahnradoberfläche lösbar und wieder an der Zahnradoberfläche anlagerbar ist.

11. Zahnrad mit einer nach dem Verfahren gemäß den vorhergehenden Patentansprüchen vorbehandelten Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (1) aus einer Eisenlegierung spanlos hergestellt ist und die Oberfläche eine Gleit- oder Lauffläche, vorzugsweise eines Ölpumpenantriebsrades ist.

12. Zahnrad nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenlegierung einen einer der folgenden Legierung xxxxxxxx ist.

13. Verfahren zum Erhöhen der Oberflächenhärte des Zahnrades nach einer der Anspruch 1, 3, 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradoberfläche spätestens nach dem Beaufschlagung der Oberfläche gem. dem Anspruch 2 plasmanitriert wird.

14. Verfahren zum Erhöhen der Oberflächenhärte des Zahnrades nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet, daß die Härteerzeugungsprozesse unter dem folgenden Niedrigtemperaturablauf ohne Veränderung der Geometrie und Abmessung des Zahnra des mit den folgenden Verfahrensschritten abläuft:

- Installation des Zahnrades in einer Vakuumkammer, in der ein Arbeitsdruck von 0,001 bis 1 Paskal erzeugt wird;
- eine Arbeitsgasatmosphäre von N₂, CH₄ oder/und Ar₂ aufgebaut, und bei Anlegen von einer Spannung von 1500 V und Stromquelle von 20 A an das Zahnrad als Werkstück das Plasmareinigungsprozeß durchgeführt wird;
- anschließend wird eine Ionisation des Reaktivgases (106), das aus einem oder mehreren gleichzeitig Mono- bzw. Polymolekulargasen vorzugsweise N₂, CH₄, Ar₂, N₂, C2H₂ oder Ar₂ besteht, erzeugt, die durch folgenden Ablauf des Ionisationsprinzips hervorgerufen wird - das folgende Vorgänge einhält:
- - das Verdampfen eines Elektrodes (100) bestehenden vorzugsweise aus Titan oder Wolfram, wobei das Verdampfen durch das Zünden der Lichtbogen (103) mit Hilfe von Anlegen an den Elektrode (100) einer Spannung von 100 bis 200 V und der Stromquelle von 50 bis 500 Amper, wobei der Titanelektrode - als ein Kathode und das Zahnrad (1) als ein Anode (101) angeordnet sind;
- - durch das Verdampfen des Elektrodes (100) ein Strahl bestehend aus gleiche Menge von Elektronen (104) und von vorzugsweise Titanionen (105) auf den Zahnrad (1) gerichtet wird;
- - durch das Abschirmen der Kammervolumen mit einer vorzugsweise metalli scher Gitter (102), wo das Zahnrad installiert ist, wird nur die Anteil des Strah les durchgelassen, die aus den Elektronen (104) besteht;
- - die Elektronen (104)- ionisieren den Reaktivgas (106), die anschließend das Zahnrad (1) bombardieren;
- - durch Abschalten der positiver Spannung vom Zahnrad (1) und Anlegen der negativer Spannung in der gleicher oder ähnlicher Höhe an den Zahnrad (1) wird ein Ionenbeschuß durch die erzeugten Ionen des Reaktivgases (106) er zeugt, um das Prozeß nicht unterbrechen zu müssen, wird die Kathodenentla dung auf den in der Kammer installierte Elektrode (107) abgelenkt.
Beim Entladen der positiver geladenen Ionen des Reaktivgases (106) an dem negativ geladenen Zahnrad (1) werden die harten Schichten - vorzugsweise Nitride - auf der Zahnradoberfläche gebildet.