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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde
www.kit.edu
Mechanische Oberflächenbehandlungen
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze
2
Gliederung Motivation und Anwendungen
Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening
Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen
Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Mechanische Oberflächenbehandlungen29.10.2015
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Typische Anwendungen
TurbinenscheibenWerkstoff: Nickelbasislegierungen
Intensitätsnachweis erfolgt im Nutgrund,weil indirektes Strahlen für die Tragflankenzulässig ist.
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Gliederung Motivation und Anwendungen
Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening
Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen
Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Mechanische Oberflächenbehandlungen29.10.2015
5
Beim Kugelstrahlenwird durch gezieltenBeschuss mitkugelförmigenPartikeln, die wiewinzigeSchmiedehämmerwirken, eine begrenzteplastische Verformungin derBauteilrandschichterzeugt.
PrinzipStrahlen ist ein Fertigungsverfahren, bei demStrahlmittel (als Werkzeug) in Strahlgerätenunterschiedlicher Strahlsysteme beschleunigtund zum Aufprall auf die zu bearbeitendeOberfläche eines Werkstücks (Strahlgut)gebracht wird. (DIN 8200)
Ziel der Strahlbehandlung: Erzeugen von Verfestigungszuständenund randnahen Druckeigenspannungenzur Steigerung der Beanspruchbarkeit
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Konventionelle, trockene Strahlsysteme
Schleuderradstrahlen Druckluftstrahlen
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Strahlmittel Strahlgut
Strahlanlage
StrahlzeitMengendurchsatz
Strahlmittelgeschwindigkeit
Auftreffwinkel
Flächenbedeckung
Düsendurchmesser
Düsenabstand
Kornform
Kornhärte
Kornmasse
Korngröße
Kornwerkstoff
Korngrößen-verteilung
Verschleiß-zustand
Geometrie
elastisch-plastischesVerformungsverhalten
Härte
chemische Zusammensetzung
Kristallstruktur
Kugelstrahlen
Temperatur
Vorspannung
Einflussgrößen beim Kugelstrahlen
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Festwalzen im Einstich
Einstich
Vorschub
3D-Walzen
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Festwalzen von Freiformflächen
Einstich
Vorschub
3D-Walzen
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Wal
zkra
ft
Zeit [s]
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Ergebnis der Festwalzbearbeitung
Kaltverfestigung
Que
lle: U
ni S
tuttg
art
• Erhöhung der Versetzungsdichte• Erhöhung der Randschichthärte• temperaturstabile Festigkeitssteig.• Verzögerung der Rissbildung
Druckeigenspannungen
• Reduzierung des Risswachstums• Erhöhung der Schwingfestigkeit• Erhöhung der Lebensdauer
Glättung
• Verbesserte Gleiteigenschaften• Verringerung von Mikrokerben
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Klassifizierung der Hämmernden Verfahren
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Klassifizierung der Hämmernden Verfahren
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• Patentanmeldung von Daimler, Vertrieb in Lizenznahme
• Eingangsdruck: 4 – 8 Bar
• Frequenzspektrum: 150Hz - 300Hz
• Kugeldurchmesser: 8mm – 28mm
• für alle gängigen Werkzeugaufnahmen und Werkzeugwechselsysteme
Pneumatisches Bearbeitungswerkzeug „ForgeFix“
Pneumatisches Bearbeitungswerkzeug
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Gefräste OberflächeRa =1,5 μm
Gehämmerte OberflächeRa =0,6 μm
Reduzierung der Oberflächenrauheit kugelgefräster Werkstücke
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1. Start der Kontaktphase 2. Verformung der Rauheitsspitzen,
Verzögerung der Kugel
3. Umkehrpunkt der Kugel,
elastische Rückformung
4. plastischer Eindruck,
oberflächennahe Druckeigenspannungen
Geschwindigkeit der Kugel
Spannungen im Werkstück
Plastische Verformung beim Aufprall
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Bearbeitung eines Zamak‐Ziehstempels
vor dem Oberflächenhämmern nach dem Oberflächenhämmern
Oberflächenfinish von Umformwerkzeugen
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Mechanisch eingebrachte Eigenspannungen durch Piezo-Peening: Verfahren
Maschinelles OberflächenhämmernFrequenz: ca. 500 ~ 5000 HzElastisch-plastische Verformung derRandschicht
Streckung der Randschicht führtbei Entlastung zu Druckeigen-spannungen
Lienert, KIT
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Piezo-Peening: Eigenspannungen
Lokale plastische Streckung oberflächennaher BereicheDruckeigenspannungen nach EntlastungZusätzlich Glättung der Oberfläche
Geschliffener Ausgangszustand
Lienert, F; Hoffmeister, J and Schulze, V. Mater Sci Forum, Vol 769-769, pp. 526-533,2014
0 50 100 150 200 250 300 350-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
f = 500 Hz, a = 18 µmd = 5 mm, T = 0,5
v = 1 mm/s, lp = 400 µm v = 1 mm/s, lp = 600 µm v = 1 mm/s, lp = 800 µm v = 50 mm/s, lp = 400 µm v = 50 mm/s, lp = 600 µm v = 50 mm/s, lp = 800 µm
ES quer
[MPa
]
Tiefe [µm]
42CrMo4 V450
Zustand nach Piezo-Peening
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Laser Peening oder Laserschockverfestigung
Definition:Das Laserschockverfahren ist ein berührungsloses mechanisches Oberflächenbehandlungsverfahren, das als Werkzeug einen kurzen gepulsten Laserstrahl hoher Leistungsdichte verwendet und metallische Oberflächen verfestigt
Nd:Glas-, Nd:YAG- und Excimer-LaserPulse von 8 bis 50 ns und bis zu 50 J
AnwendungTurbinenschaufeln und Scheiben (F-16, B-1)GetriebewellenWälzlagerkomponentenNietverbindungen am Flugzeugrumpf
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Verfahrensprinzip: Direkte und beschränkte Ablation
beschränkte Ablation
Laserpuls
transparenteDeckschicht
Absorber-schicht
Stoß-wellenStoßwellen
Plasma
Plasma
direkte Ablation
Laserpuls Laserstrahlung hoher Intensität
Ablation und Bildung eineslaserstrahlinduzierten Plasmas
Induzierung von elastischen und plastischen Stoßwellen im Werkstück
Generierung eines Druckesauf die Werkstückoberfläche
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Direkte Ablation
Behinderung der Thermischen Ausdehnung dominiert => Es bilden Zugeigenspannungen aus.
Stoßwellen
Plasma
Laserpuls
-5,0 -2,5 0,0 2,5 5,0
0
200
400
600
800
34CrAlNi7
Spot
quer längs
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
]
Abstand von der Belichtungsmitte [mm]
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Beschränkte Ablation
Stoß-/Druckwelle dominiert => Es bilden sich Druckeigenspannung aus
Laserpuls
transparenteDeckschicht
Absorber-schicht
Stoß-wellen
Plasma
-5,0 -2,5 0,0 2,5 5,0-800
-600
-400
-200
0
34CrAlNi7
Spot
Abstand von der Belichtungsmitte [mm]
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
] quer längs
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Gliederung Motivation und Anwendungen
Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening
Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen
Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit
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1 2 3 4 5 6 7 80
10
20
30
40
50
60
42CrMo4 normalisiert V180° V650° gehärtet V450° V300°
Rau
heit
[m
]
Strahldruck [bar]
h
V450°
bei 1.6 bar
n
Konventionelles Kugelstrahlen - Rauheit
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25
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
42CrMo4
Oberflächenabstand [mm]
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
]
normalisiert V650° V450° V300° V180° gehärtet
Konventionelles Kugelstrahlen - Eigenspannungen
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inhomogene plastische Deformation oberflächennaher Werkstoffbereiche
Strahlen
Druckeigenspannungen Zugeigenspannungen
plastische Stauchung der Oberfläche durchBehinderung der ther-mischen Ausdehnung
plastische Streckung der Oberfläche durch
Fließspannungs-absenkung
plastische Streckungder unmittelbaren
Oberfläche
Hertz´schePressung
Maximalwert unterder Oberfläche
Maximalwert ander Oberfläche
durch Kräfte senkrechtund parallel zur Ober-
flächedurch Wärmeentwicklungdurch Kräfte senkrecht
zur Oberfläche
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27
0,0 0,1 0,2 0,3 0,40
2
4
6
8
42CrMo4
Oberflächenabstand [mm]
Hal
bwer
tsbr
eite
[°2
]
gehärtet V300° V650° V180° V450° normalisiert
Konventionelles Kugelstrahlen - Verfestigungszustand
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28
0,0 0,2 0,4 0,60
200
400
600
800
42CrMo4
Oberflächenabstand [mm]
Här
te [H
V0.3
]
gehärtet V650° V450° normalisiert
Konventionelles Kugelstrahlen - Verfestigungszustand
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42CrMo4, normalisiertungestrahlt kugelgestrahlt
gleichverteilte Versetzungsstruktur kein Quergleiten wegen hoher Verformungsgeschwindigkeiten
1 µm1 µm
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30-12
-10
-8
-6
-4
-2
0P0=13,28%
SintereisenDichte 6,9 g/cm3
1,6 bar ; 1,6kg/min 4 bar ; 1,6kg/min 4,5 bar ; 1,6kg/min 8 bar ; 1,6kg/min
Ände
rung
der
Por
ositä
t [%
]
Abstand z von der Oberfläche [mm]
Sintereisen kugelgestrahlt
Konventionelles Kugelstrahlen - Mikrostruktur
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Werkzeugstahl X210 Cr12
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50
20
40
60
80
TA = 940°C
TA = 1030°C
TA = 1060°C
TA = 1100°C
X 210 Cr 12kugelgestrahlt
Oberflächenabstand [mm]
Res
taus
teni
tgeh
alt [
Vol-%
]
Einsatzstahl 17NiCroMo6-4
0 5
10 15 20 25 30 35 40
0 100 200 300 400 500 600 700
Oberflächenabstand [µm]Res
taus
teni
tgeh
alt [
Vol.-
%]
einsatzgehärtet
kugelgestrahlt
Konventionelles Kugelstrahlen - Restaustenitgehalt
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Gliederung Motivation und Anwendungen
Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening
Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen
Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit
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mit mechanischerOberflächenbehandlung
ohne mechanischeOberflächenbehandlung
Ursache für veränderteSchwingfestigkeit
Tiefe derVerfestigung
Tiefe der Eigen-spannung
Tiefe derKerbspannungs-überhöhung
Härte-verteilung
Härte-verteilung
Oberflächen-druckeigen-spannungen
ohne Eigen-spannungen
Ober-fläche
Ober-fläche
Ober-fläche
F
F
Mechanische Verfestigungdurch Kaltverformung
O. Foeppl (1929)
Mechanische Vorspanungdurch Eigenspannungen
A. Thum (1931)
Mikro-Kerbwirkungdurch Rauheit
E. Siebel u. M. Gaier (1956)
+
-
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Surface Engineering: Grundzüge
Gezielte Einstellung der Oberflächeneigenschaften:Eigenspannungen, Verfestigungszustand, Rauheit, …
Optimierung des Lebensdauerverhaltens
Surface Engineering anhand mechanischer OberflächenbehandlungenTypische Verfahren:
Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Hämmern
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Auswirkung des Oberflächenzustands auf die Schwingfestigkeit
42CrMo4+QT (450 °C/2 h)Bruchwahrscheinlichkeit 5%Axiale Beanspruchung
Lienert, F; Hoffmeister, J ; Erz, A and Schulze, V. Proc. ICSP12, to be published
Eigenspannungstiefenverläufe und Rauheit nach verschiedenen mechanischen Oberflächenbehandlungen und deren Auswirkung auf die Schwingfestigkeit für 42CrMo4Verschiebung des Anrissortes ins Innere
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Konventionelles Kugelstrahlen Spannungsstrahlen
Warmstrahlen Konventionelles Kugelstrahlen und Auslagern
Modifizierte Kugelstrahlverfahren
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36
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4
-800
-400
0
400
*a,R = 1000 MPa
TStrahl = 20°C
N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000
ES L [
MPa
]
Oberflächenabstand [mm]
0,0 0,1 0,2 0,3 0,42,0
2,5
3,0
3,5
4,0 *a,R = 1000 MPaTStrahl = 20°C
N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000
HW
B [°2
]
Oberflächenabstand [mm]
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4
-800
-400
0
400TStrahl = 290°C
N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000
ES L [
MPa
]
Oberflächenabstand [mm]
0,0 0,1 0,2 0,3 0,42,0
2,5
3,0
3,5
4,0 *a,R = 1000 MPaTStrahl = 290°C
N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000
HW
B [°2
]
Oberflächenabstand [mm]
Warmstrahlen - Randschichtzustand
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Warmstrahlen - Randschichtzustand
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42CrMo4, V450°
104 105 106 107 108400
500
600
700
800
900P = 50 %
Ran
dspa
nnun
gsam
plitu
de [M
Pa]
Bruchlastspielzahl
(+25%)
geschliffen
konventionellgestrahlt
warmgestrahlt, 310°C
(+37%)640
warmgestrahlt, 290°C
443
510
RW[MPa]
704
Warmstrahlen – Auswirkungen
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39
100 200 300 4000,2
0,4
0,6
0,8
1,0
20
TStrahl = 20 °CtA = 1 min*
a‚ R = 1000 MPa
N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000
TA [°C]
ES L‚ R
(TA,t
A,N) /
ES L‚
R
200 400 600 800 1000
*R‚ krit = 310 MPa
TStrahl = 20 °C
N = 1 N = 104
*a‚ krit = 514 MPa
ES L‚ R
[MPa
]|*
R| bzw. *a,R [MPa]
-800
-600
-400
-200
0
*R‚ krit = 600 MPa
*a‚ krit = 640 MPa
N = 1 N = 104
TStrahl = 20 °C+ 300°C/1min
Konventionelles Strahlen und Auslagern –Stabilität des Randschichtzustands
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Zusammenfassung Motivation und Anwendungen
Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening
Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen
Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit
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Kontakt
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)wbk Institut für Produktionstechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker SchulzeKaiserstraße 12 76131 Karlsruhe Tel. +49 721 608-42440Fax: +49 721 608-45005www.wbk.kit.edu
ForschungsschwerpunkteKontakt
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Mechanische Oberflächenbehandlungen29.10.2015
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