kontrolle des kugelstrahlens - Metal Improvement Company

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Layout 21.07.2005 10:38 Uhr Seite 6 E R S T E S K A P I T E L THEORIE 6 DAS KUGELSTRAHLVERFAHREN Das Kugelstrahlen ist ein Kaltbearbeitungsverfahren, bei dem die Werkstückoberfläche mit kleinen kugelförmigen Strahlmitteln bestrahlt wird. Jede Kugel, die das Werkstück trifft, wirkt dabei wie ein winziger Schmiedehammer, der eine flache Kalotte auf der Oberfläche hinterlässt. Damit eine Kalotte entstehen kann, muß die <strong>Metal</strong>loberflächenschicht gedehnt werden (ABBILDUNG 1-1). Die tiefer liegenden Werkstoffschichten dagegen versuchen die Oberfläche wieder in den Ursprungszustand zurückzubringen. Dabei wird unter der Kalotte ein Bereich kaltverformten Werkstoffes mit einer hohen Druckeigenspannung erzeugt (ABBILDUNG 1-2). Überlappende Kalotten ergeben eine gleichmäßig hohe Druckeigenspannung in der Bauteilrandzone. Eine bekannte Tatsache ist es, daß Risse innerhalb einer Druckeigenspannungsschicht nicht entstehen oder sich dort ausbreiten. Da nahezu alle Ermüdungsund Spannungsrißkorrosionsschäden von der Bauteiloberfläche ausgehen, wird ihre Lebensdauer durch das Kugelstrahlen beträchtlich erhöht. Die durch das Kugelstrahlen erzeugten Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht betragen etwa die Hälfte der Werkstoffzugfestigkeit. Bei vielen Werkstoffen erhöht sich außerdem die Oberflächenhärte auf Grund der Kaltverfestigung durch das Kugelstrahlen. In den meisten Fällen auftretender Langzeitschäden ist die Zugspannung der Hauptverursacher. Diese Zugspannungen können durch von außen aufgebrachte Lastspannungen oder durch herstellungsbedingte Eigenspannungen, wie z.B. vom Schweißen, Schleifen und durch maschinelle Bearbeitung herrührend, erzeugt werden. - Die Zugspannung versucht die Oberfläche auseinanderzuziehen, was zur Bildung von Rißansätzen führen kann. (ABBILDUNG 1-3). Dagegen drückt Druckspannung die Korngrenzen an der Oberfläche zusammen und verzögert dadurch erheblich die Bildung von Ermüdungsanrissen. Da nun die Ausbreitung von Rissen in einer Druckeigenspannungsschicht wesentlich verlangsamt wird, erhöht sich die Festigkeit Abb. 1-1 Mechanische Oberflächenstreckung an der Strahlmittelaufprallstelle Abb. 1-2 Druck wirkt Ermüdungsanrissen entgegen Abb. 1-3 Rißansatz und -wachstum durch Zugspannung gegenüber Anrissen mit wachsender Schichtdicke. Das Kugelstrahlen ist die rationellste und zweckmäßigste Methode zur Erzeugung von Druckeigenspannungen.
Layout 21.07.2005 10:38 Uhr Seite 7 Das Kugelstrahlen wird vorwiegend bei Dauerfestigkeitsproblemen eingesetzt. Die nachstehenden Punkte beziehen sich auf Anwendungen im Bereich der Dauerfestigkeit, wie im Wöhlerdiagramm in (ABBILDUNG 1-4) dargestellt. o Dauerschwing- 1380 beanspruchung 1242 besteht aus Zehntausenden bis Millionen von Lastspielen. Diese Lastspiele 1104 966 50,000 Lastwechsel bei 828 MPa erzeugen Zuglastspan- 828 nungen, die versuchen, die 690 Werkstoffoberfläche auseinanderzuziehen bzw. zu strecken. 552 414 o Eine lineare Verringerung 276 der Zugspannung resultiert in einer exponentiellen Erhöhung der Schwing- 138 festigkeit (Lastspielzahl). Das Diagramm Lastspiele (ABBILDUNG 1-4) zeigt, daß eine Reduzierung der Spannung um 262 MPa Abb. 1-4 Wöhlerdiagramm (32%) eine Erhöhung der Schwingfestigkeit um 150.000 Zyklen (300 %) zur Folge hat. EIGENSPANNUNG DURCH KUGELSTRAHLEN Bei der durch das Kugelstrahlen erzeugten Eigenspannung handelt es sich um eine Druckspannung. Diese Druckspannung gleicht die aufgebrachte Zugspannung aus oder verringert sie. Einfach ausgedrückt bedeutet dies: weniger (Zug-) Spannung führt zu einer längeren Bauteillebensdauer. Ein beispielhaftes durch Kugelstrahlen erzeugtes Druckeigenspannungsprofil ist in ABBILDUNG 1-5 dargestellt. Maximale Druckspannung – Dies ist der Höchstwert der erzeugten Druckspannung, der normalerweise direkt unter der Oberfläche vorhanden ist. Im Zugspannung [MPA] Eigenspannung [MPa] 138 0 -138 -276 -414 -552 -690 -828 Zeitfestigkeit Tiefe der Druckspannung Oberfl chenspannung Maximale Druckspannung Abstand von der Oberfl che [mm] Abb. 1-5 Beispielhaftes durch Kugelstrahlen erzieltes Druckeigenspannungsprofil Verhältnis, wie sich die Druckspannung erhöht, wächst auch der Widerstand hinsichtlich Rißansatz und Ermüdungsbruch. Tiefe der Druckeigenspannungsschicht – Dies ist die Tiefe der druckbeaufschlagten Randzone, die gegen Rißausbreitung beständig ist. Die Tiefe kann durch Erhöhung der kinetischen Energie <strong>des</strong> Kugelstrahlmittels vergrößert werden. Zur Beständigkeit gegen Rißfortschritt wird generell eine tiefere Druckeigenspannungsschicht verlangt. Oberflächenspannung – Dieser Spannungswert ist in der Regel niedriger als die maximale Druckspannung. E R S T E S K A P I T E L 200,000 Lastwechsel bei 552 MPa 0,05 0,10 0,15 0,20 THEORIE 7
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