Mechanische Oberflächenbehandlungen

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1 Mechanische Oberflächenbehandlungen Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gliederung Motivation und Anwendungen Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit 2

3 Typische Anwendungen Turbinenscheiben Werkstoff: Nickelbasislegierungen Intensitätsnachweis erfolgt im Nutgrund, weil indirektes Strahlen für die Tragflanken zulässig ist. 3 3

5 Prinzip Beim Kugelstrahlen wird durch gezielten Beschuss mit kugelförmigen Partikeln, die wie winzige Schmiedehämmer wirken, eine begrenzte plastische Verformung in der Bauteilrandschicht erzeugt. Strahlen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Strahlmittel (als Werkzeug) in Strahlgeräten unterschiedlicher Strahlsysteme beschleunigt und zum Aufprall auf die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks (Strahlgut) gebracht wird. (DIN 8200) Ziel der Strahlbehandlung: Erzeugen von Verfestigungszuständen und randnahen Druckeigenspannungen zur Steigerung der Beanspruchbarkeit 5

6 Konventionelle, trockene Strahlsysteme Schleuderradstrahlen Druckluftstrahlen 6

7 Einflussgrößen beim Kugelstrahlen Mengendurchsatz Auftreffwinkel Strahlmittelgeschwindigkeit Strahlzeit Strahlanlage Flächenbedeckung Düsendurchmesser Düsenabstand Kornhärte Kornmasse Korngröße Kornwerkstoff Kornform Strahlmittel Korngrößenverteilung Verschleißzustand Kugelstrahlen Strahlgut Geometrie elastisch-plastisches Verformungsverhalten Härte chemische Zusammensetzung Vorspannung Kristallstruktur Temperatur 7

8 Festwalzen im Einstich Einstich Vorschub 3D-Walzen 8

9 Festwalzen von Freiformflächen Walzkraft 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Zeit [s] Einstich Vorschub 3D-Walzen 9

10 Ergebnis der Festwalzbearbeitung Glättung Kaltverfestigung Druckeigenspannungen Quelle: Uni Stuttgart Verbesserte Gleiteigenschaften Verringerung von Mikrokerben Erhöhung der Versetzungsdichte Erhöhung der Randschichthärte temperaturstabile Festigkeitssteig. Verzögerung der Rissbildung Reduzierung des Risswachstums Erhöhung der Schwingfestigkeit Erhöhung der Lebensdauer 10

11 Klassifizierung der Hämmernden Verfahren 11

12 Klassifizierung der Hämmernden Verfahren 12

13 Pneumatisches Bearbeitungswerkzeug 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 13

14 Reduzierung der Oberflächenrauheit kugelgefräster Werkstücke Gefräste Oberfläche Ra =1,5 μm Gehämmerte Oberfläche Ra =0,6 μm 14

15 Plastische Verformung beim Aufprall Geschwindigkeit der Kugel 1. Start der Kontaktphase 2. Verformung der Rauheitsspitzen, Verzögerung der Kugel Spannungen im Werkstück 3. Umkehrpunkt der Kugel, elastische Rückformung 4. plastischer Eindruck, oberflächennahe Druckeigenspannungen 15

16 Oberflächenfinish von Umformwerkzeugen vor dem Oberflächenhämmern nach dem Oberflächenhämmern Bearbeitung eines Zamak Ziehstempels 16

17 Mechanisch eingebrachte Eigenspannungen durch Piezo-Peening: Verfahren Maschinelles Oberflächenhämmern Frequenz: ca. 500 ~ 5000 Hz Elastisch-plastische Verformung der Randschicht Streckung der Randschicht führt bei Entlastung zu Druckeigenspannungen Lienert, KIT 17

18 Piezo-Peening: Eigenspannungen Lokale plastische Streckung oberflächennaher Bereiche Druckeigenspannungen nach Entlastung Zusätzlich Glättung der Oberfläche ES quer [MPa] CrMo4 V450 v = 1 mm/s, l p = 400 µm v = 1 mm/s, l p = 600 µm v = 1 mm/s, l p = 800 µm v = 50 mm/s, l p = 400 µm f = 500 Hz, a = 18 µm v = 50 mm/s, l p = 600 µm d = 5 mm, T = 0,5 v = 50 mm/s, l p = 800 µm Tiefe [µm] Lienert, F; Hoffmeister, J and Schulze, V. Mater Sci Forum, Vol , pp ,2014 Geschliffener Ausgangszustand Zustand nach Piezo-Peening 18

19 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-Laser Pulse von 8 bis 50 ns und bis zu 50 J Anwendung Turbinenschaufeln und Scheiben (F-16, B-1) Getriebewellen Wälzlagerkomponenten Nietverbindungen am Flugzeugrumpf 19

20 Verfahrensprinzip: Direkte und beschränkte Ablation direkte Ablation beschränkte Ablation Laserpuls Laserstrahlung hoher Intensität Laserpuls Plasma Ablation und Bildung eines laserstrahlinduzierten Plasmas transparente Deckschicht Generierung eines Druckes auf die Werkstückoberfläche Plasma Stoßwellen Absorberschicht Stoßwellen Induzierung von elastischen und plastischen Stoßwellen im Werkstück 20

21 Direkte Ablation Behinderung der Thermischen Ausdehnung dominiert => Es bilden Zugeigenspannungen aus. 800 Laserpuls Plasma Eigenspannungen [MPa] CrAlNi7 quer längs Stoßwellen 0 Spot -5,0-2,5 0,0 2,5 5,0 Abstand von der Belichtungsmitte [mm] 21

22 Beschränkte Ablation Stoß-/Druckwelle dominiert => Es bilden sich Druckeigenspannung aus 0 Laserpuls Plasma transparente Deckschicht Eigenspannungen [MPa] CrAlNi7 quer längs Absorberschicht Stoßwellen Spot ,0-2,5 0,0 2,5 5,0 Abstand von der Belichtungsmitte [mm] 22

24 Konventionelles Kugelstrahlen - Rauheit n normalisiert V180 V650 gehärtet V450 V300 42CrMo4 V450 Rauheit [ m] h Strahldruck [bar] bei 1.6 bar 24

25 Konventionelles Kugelstrahlen - Eigenspannungen CrMo4 Eigenspannungen [MPa] normalisiert V650 V450 V300 V180 gehärtet ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Oberflächenabstand [mm] 25

26 Strahlen inhomogene plastische Deformation oberflächennaher Werkstoffbereiche durch Kräfte senkrecht zur Oberfläche durch Kräfte senkrecht und parallel zur Oberfläche durch Wärmeentwicklung Hertz sche Pressung plastische Streckung der unmittelbaren Oberfläche plastische Streckung der Oberfläche durch Fließspannungsabsenkung plastische Stauchung der Oberfläche durch Behinderung der thermischen Ausdehnung Maximalwert unter der Oberfläche Maximalwert an der Oberfläche Druckeigenspannungen Zugeigenspannungen 26

27 Konventionelles Kugelstrahlen - Verfestigungszustand 8 42CrMo4 6 Halbwertsbreite [ 2 ] 4 2 gehärtet V300 V650 V180 V450 normalisiert 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Oberflächenabstand [mm] 27

28 Konventionelles Kugelstrahlen - Verfestigungszustand CrMo4 600 Härte [HV0.3] gehärtet V650 V450 normalisiert 0 0,0 0,2 0,4 0,6 Oberflächenabstand [mm] 28

29 Konventionelles Kugelstrahlen - Mikrostruktur 42CrMo4, normalisiert ungestrahlt kugelgestrahlt Sintereisen kugelgestrahlt 0 P0 =13,28% 1 µm 1 µm Änderung der Porosität [%] Sintereisen -8 Dichte 6,9 g/cm 3 1,6 bar ; 1,6kg/min bar ; 1,6kg/min 4,5 bar ; 1,6kg/min 8 bar ; 1,6kg/min Abstand z von der Oberfläche [mm] gleichverteilte Versetzungsstruktur kein Quergleiten wegen hoher Verformungsgeschwindigkeiten 29

30 Konventionelles Kugelstrahlen - Restaustenitgehalt Werkzeugstahl X210 Cr12 Restaustenitgehalt [Vol-%] X 210 Cr 12 kugelgestrahlt T A = 1100 C T A = 1030 C T A = 1060 C T A = 940 C Oberflächenabstand [mm] Restaustenitgehalt [Vol.-%] Einsatzstahl 17NiCroMo Oberflächenabstand [µm] kugelgestrahlt einsatzgehärtet 30

32 ohne mechanische Oberflächenbehandlung mit mechanischer Oberflächenbehandlung Ursache für veränderte Schwingfestigkeit Oberfläche Härteverteilung Härteverteilung F Mechanische Verfestigung Tiefe der Verfestigung durch Kaltverformung O. Foeppl (1929) Oberfläche ohne Eigenspannungen Tiefe der Eigenspannung F Oberflächendruckeigenspannungen - + Mechanische Vorspanung durch Eigenspannungen A. Thum (1931) Oberfläche Tiefe der Kerbspannungsüberhöhung Mikro-Kerbwirkung durch Rauheit E. Siebel u. M. Gaier (1956) 32

33 Surface Engineering: Grundzüge Gezielte Einstellung der Oberflächeneigenschaften: Eigenspannungen, Verfestigungszustand, Rauheit, Optimierung des Lebensdauerverhaltens Surface Engineering anhand mechanischer Oberflächenbehandlungen Typische Verfahren: Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Hämmern 33

34 Auswirkung des Oberflächenzustands auf die Schwingfestigkeit 42CrMo4+QT (450 C/2 h) Bruchwahrscheinlichkeit 5% Axiale Beanspruchung Eigenspannungstiefenverläufe und Rauheit nach verschiedenen mechanischen Oberflächenbehandlungen und deren Auswirkung auf die Schwingfestigkeit für 42CrMo4 Verschiebung des Anrissortes ins Innere Lienert, F; Hoffmeister, J ; Erz, A and Schulze, V. Proc. ICSP12, to be published 34

35 Modifizierte Kugelstrahlverfahren Konventionelles Kugelstrahlen Spannungsstrahlen Warmstrahlen Konventionelles Kugelstrahlen und Auslagern 35

36 Warmstrahlen - Randschichtzustand 400 T Strahl = 20 C 400 T Strahl = 290 C 0 0 ES [MPa] L * a,r = 1000 MPa N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000 ES [MPa] L N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Oberflächenabstand [mm] 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Oberflächenabstand [mm] HWB [ 2 ] 4,0 3,5 3,0 T Strahl = 20 C * a,r = 1000 MPa N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000 HWB [ 2 ] 4,0 3,5 3,0 = 1000 MPa T = 290 C * Strahl a,r N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = ,5 2,5 2,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Oberflächenabstand [mm] 2,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Oberflächenabstand [mm] 36

37 Warmstrahlen - Randschichtzustand 37

38 Warmstrahlen Auswirkungen Randspannungsamplitude [MPa] P = 50 % konventionell gestrahlt 42CrMo4, V450 geschliffen Bruchlastspielzahl warmgestrahlt, 310 C warmgestrahlt, 290 C (+37%) (+25%) R W [MPa]

39 Konventionelles Strahlen und Auslagern Stabilität des Randschichtzustands,N) / ES L R ES (T,t L R A A 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 20 N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000 T Strahl = 20 C t A = 1 min * a R = 1000 MPa T A [ C] ES [MPa] L R T T Strahl = 20 C Strahl = 20 C C/1min N = 1 N = 1 N = 10 4 N = 10 4 * R krit * a krit = 310 MPa = 514 MPa * = 640 MPa a krit * = 600 MPa R krit * R bzw. * a,r [MPa] 39

40 Zusammenfassung Motivation und Anwendungen Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit 40

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42 Forschungsschwerpunkte Kontakt Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wbk Institut für Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze Kaiserstraße Karlsruhe Tel Fax: