Challenges in the determination of the macroscopic degree of cleanliness determined by ultrasonic immersion testing of (ultra-clean) gear steels
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D. Fuchs
Daniel Fuchs
has been a Team leader at the Institute of Machine Elements, Gear Research Center (FZG) at the Technical University of Munich, Germany and is specialized in gear material and heat treatment. He has a Bachelor and Master Degree, both in Mechanical Engineering and will have a Ph.D. in mechanical engineering in the next year. His professional experience has been the research of the influence of non-metallic inclusions and the grain size on the load carrying capacity of gears. He is now working as a materials engineer for steel applications at ZF Friedrichshafen AG.
Abstract
Power density demands for gearboxes are steadily increasing. Higher gear steel qualities can help to meet these demands. Steel manufacturer, as well as customers, usually examine the quality of gear steel batches. For this purpose, ultrasonic immersion testing is a fast and non-destructive evaluation method for the determination of the macroscopic degree of cleanliness. The evaluation follows certain standards and the common influence factors are usually well known. However, the state of knowledge shows that there are still many open questions. Some of these open questions can lead to differences between the results of different laboratories. In the framework of a research project, the macroscopic degree of cleanliness of ultra-clean gear steels had to be determined. However, first results showed significant differences between the results of the laboratories. For this reason, an interlaboratory test was initiated. The same samples were used for the characterizations at the different laboratories. The aim of the investigation was to determine the influencing factors that led to the different results. Based on the interlaboratory test, countermeasures should be defined to ensure a reliable determination of the macroscopic degree of cleanliness of (ultra-clean) gear steels and to ensure comparable results from different laboratories in the future.
Kurzfassung
Die Anforderungen an die Leistungsdichte von Getrieben wachsen stetig. Höhere Zahnradstahlqualitäten können dabei helfen, diesen Anforderungen zu entsprechen. Üblicherweise wird die Qualität von Zahnradstahlchargen vom Stahlhersteller sowie Kunden untersucht. In diesem Zusammenhang ist die Ultraschallprüfung in Tauchtechnik ein schnelles zerstörungsfreies Verfahren zur Beurteilung bzw. Bestimmung des makroskopischen Reinheitsgrads. Im Rahmen der Prüfung müssen bestimmte Normen eingehalten werden. Dabei sind häufig auftretende Einflussfaktoren in der Regel bekannt. Nach dem heutigen Wissensstand bleiben jedoch noch immer zahlreiche Fragen unbeantwortet. Aufgrund einiger dieser offenen Fragen können verschiedene Labore zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts musste der makroskopische Reinheitsgrad von hochreinen Zahnradstählen ermittelt werden. In ersten Ergebnissen zeigten sich jedoch erhebliche Unterschiede zwischen den Befunden der Labore. Daher wurde ein Ringversuch veranlasst. Für die Charakterisierungen in den verschiedenen Laboren wurden die gleichen Proben verwendet. Ziel der Untersuchung war es, die Einflussfaktoren zu ermitteln, die zu den unterschiedlichen Ergebnissen führten. Basierend auf dem Ringversuch sollten Gegenmaßnahmen bestimmt werden, die eine zuverlässige Ermittlung des makroskopischen Reinheitsgrads von (hochreinen) Zahnradstählen sicherstellen und zukünftig vergleichbare Ergebnisse verschiedener Labore gewährleisten.
About the author
Daniel Fuchs 
has been a Team leader at the Institute of Machine Elements, Gear Research Center (FZG) at the Technical University of Munich, Germany and is specialized in gear material and heat treatment. He has a Bachelor and Master Degree, both in Mechanical Engineering and will have a Ph.D. in mechanical engineering in the next year. His professional experience has been the research of the influence of non-metallic inclusions and the grain size on the load carrying capacity of gears. He is now working as a materials engineer for steel applications at ZF Friedrichshafen AG.
10 Acknowledgments
The underlying research work [10] was funded in equal proportions by the “Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF)” (A 305 / S 0024/10235/16) and the “Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA).” The results presented in this paper were taken from the FVA research project 293 IV “Späte Zahnfußbrüche/ Reinheitsgrad II” [10]. More detailed information is given in the final report.
The research was done in close collaboration with working group 21 “microstructures and mechanical properties” of the Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung + Werkstofftechnik e.V. (AWT).
The interlaboratory tests in this publication were carried out at the laboratories of the following companies/institutes, which are listed below:
Acciaierie Bertoli Safau, Daimler, Deutsche Edelstahlwerke, Fraunhofer IZFP, Georgsmarienhütte GMH Gruppe, Schaeffler
10 Danksagung
Die zugrunde liegende Forschungsarbeit [10] wurde in gleichen Anteilen durch die „Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF)“ (A 305 /S 0024/10235/16) und die „Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA)“ finanziert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse beruhen auf dem FVA-Forschungsvorhaben 293 IV „Späte Zahnfußbrüche/ Reinheitsgrad II“ [10]. Eingehendere Informationen finden sich im Abschlussbericht.
Geforscht wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Fachausschuss 21 „Gefüge und mechanische Eigenschaften“ der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e.V. (AWT).
Die in dieser Publikation vorgestellten Ringversuche wurden in den Laboren der unten stehend in alphabetischer Reihenfolge aufgeführten Unternehmen bzw. Institute durchgeführt:
Acciaierie Bertoli Safau, Daimler, Deutsche Edelstahlwerke, Fraunhofer IZFP, Georgsmarienhütte GMH Gruppe, Schaeffler
References / Literatur
[1] ISO 6336-5:2016. Calculation of load capacity of spur and helical gears – part 5: strength and quality of materials.Search in Google Scholar
[2] SEP 1927:2001-08. Ultrasonic Immersion Testing Method for Determining the Macroscopic Degree of Purity of Rolled or Forged Steel Bars.Search in Google Scholar
[3] ASTM A388/A388M-19:2019. Practice for Ultrasonic Examination of Steel Forgings.Search in Google Scholar
[4] ISO 4967:2013. Steel – Determination of content of non-metallic inclusions – Micrographic method using standard diagrams.Search in Google Scholar
[5] SEP 1571:2017. Evaluation of inclusions in special steels based on their surface areas – parts 1 to 3.Search in Google Scholar
[6] Hock, S; Wiedmann, D.: Längere Lebensdauer mit reineren Einsatzstählen – was lohnt sich und wie rein ist rein? Longer life-time with cleaner case hardening steels – what pays and how clean is clean? HTM J. Heat Treatm. Mat. 67 (2012), S. 58–64. doi: 10.3139/105.11012610.3139/105.110126Search in Google Scholar
[7] Trojahn, W., Janser, K. u. Rösch, O.: Experiences in Using Ultrasonic Testing of Bearing Steel for Demanding Applications. Journal of ASTM International Vol. 3 (2006) No. 9. DOI: 10.1520/JAI10042510.1520/JAI100425Search in Google Scholar
[8] Temmel, C.; Karlsson, B; Torresvoll, K.: Investigation on Manganese Sulfide Inclusion Sizes in 50CrMo4 Steels by means of Fractography, Micrograph Analysis and Immersion Ultrasound. Prakt. Metallogr. 46 (2009) (2009) 3, pp. 123–136. DOI: 10.3139/147.11000410.3139/147.110004Search in Google Scholar
[9] Hansén, T.; Runnsjö, G.; Törresvoll, K; Jönsson, P. G.: On the assessment of macro inclusions in stainless steels using ultrasonic technique. 16th World Conference on Nondestructive Testing (NDT). Montreal, Canada 2004.Search in Google Scholar
[10] Fuchs, D., Tobie, T. u. Stahl, K.: Untersuchungen zum Fehlstellenversagen an Zahnrädern und deren Einfluss auf die Zahnradtragfähigkeit, FVA research project 293 IV, Frankfurt on the Main, Germany 2021.Search in Google Scholar
[11] Schurer, S.: Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse in hochreinen Werkstoffen auf die Zahnfußtragfähigkeit, Technische Universität München. Dissertation. 2016.Search in Google Scholar
[12] Bretl, N. T.: Einflüsse auf die Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder im Bereich hoher Lastspielzahlen, Technische Universität München. Dissertation. 2010.Search in Google Scholar
[13] Stenico, A.: Werkstoffmechanische Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder, Technische Universität München. Dissertation. 2007.Search in Google Scholar
[14] Fuchs, D.; Schurer, S.; Tobie, T.; Stahl, K.: Investigations into non-metallic inclusion crack area characteristics relevant for tooth root fracture damages of case carburised and shot-peened high strength gears of different sizes made of high-quality steels. Forschung im Ingenieurwesen (2019) 03/2019. DOI: 10.1007/s10010-019-00324-x10.1007/s10010-019-00324-xSearch in Google Scholar
[15] Bretl, N.; Schurer, S.; Tobie, T.; Stahl, K; Höhn, B.-R.: Investigations on Tooth Root Bending Strength of Case Hardened Gears in the Range of High Cycle Fatigue. AGMA Technical Paper 13FTM09 (2013).Search in Google Scholar
[16] Winkler, K. J.; Schurer, S.; Tobie, T.; Stahl, K.: Investigations on the tooth root bending strength and the fatigue fracture characteristics of casecarburized and shot-peened gears of different sizes. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science (2019). DOI: 10.1177/095440621984165010.1177/0954406219841650Search in Google Scholar
[17] Fuchs, D.; Schurer, S.; Tobie, T.; Stahl, K.: On the determination of the bending fatigue strength in and above the very high cycle fatigue regime of shot-peened gears. Forschung im Ingenieurwesen (2021). DOI: 10.1007/s10010-021-00499-210.1007/s10010-021-00499-2Search in Google Scholar
[18] DIN EN ISO 683-3:2019. Heat-treatable steels, alloy steels and free-cutting steels – Part 3: Casehardening steels.Search in Google Scholar
[19] Mohammed, M. S; Ki-Seong, K.: Probability of detection simulations to study the influenceSearch in Google Scholar
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