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 www.kit.edu
Gliederung Motivation und Anwendungen Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit 2
Typische Anwendungen Turbinenscheiben Werkstoff: Nickelbasislegierungen Intensitätsnachweis erfolgt im Nutgrund, weil indirektes Strahlen für die Tragflanken zulässig ist. 3 3
Gliederung Motivation und Anwendungen Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit 4
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
Konventionelle, trockene Strahlsysteme Schleuderradstrahlen Druckluftstrahlen 6
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
Festwalzen im Einstich Einstich Vorschub 3D-Walzen 8
Festwalzen von Freiformflächen Walzkraft 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Zeit [s] Einstich Vorschub 3D-Walzen 9
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
Klassifizierung der Hämmernden Verfahren 11
Klassifizierung der Hämmernden Verfahren 12
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
Reduzierung der Oberflächenrauheit kugelgefräster Werkstücke Gefräste Oberfläche Ra =1,5 μm Gehämmerte Oberfläche Ra =0,6 μm 14
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
Oberflächenfinish von Umformwerkzeugen vor dem Oberflächenhämmern nach dem Oberflächenhämmern Bearbeitung eines Zamak Ziehstempels 16
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
Piezo-Peening: Eigenspannungen Lokale plastische Streckung oberflächennaher Bereiche Druckeigenspannungen nach Entlastung Zusätzlich Glättung der Oberfläche ES quer [MPa] 0-200 -400-600 -800 42CrMo4 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 -1000 f = 500 Hz, a = 18 µm v = 50 mm/s, l p = 600 µm -1200 d = 5 mm, T = 0,5 v = 50 mm/s, l p = 800 µm 0 50 100 150 200 250 300 350 Tiefe [µm] Lienert, F; Hoffmeister, J and Schulze, V. Mater Sci Forum, Vol 769-769, pp. 526-533,2014 Geschliffener Ausgangszustand Zustand nach Piezo-Peening 18
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
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
Direkte Ablation Behinderung der Thermischen Ausdehnung dominiert => Es bilden Zugeigenspannungen aus. 800 Laserpuls Plasma Eigenspannungen [MPa] 600 400 200 34CrAlNi7 quer längs Stoßwellen 0 Spot -5,0-2,5 0,0 2,5 5,0 Abstand von der Belichtungsmitte [mm] 21
Beschränkte Ablation Stoß-/Druckwelle dominiert => Es bilden sich Druckeigenspannung aus 0 Laserpuls Plasma transparente Deckschicht Eigenspannungen [MPa] -200-400 -600 34CrAlNi7 quer längs Absorberschicht Stoßwellen Spot -800-5,0-2,5 0,0 2,5 5,0 Abstand von der Belichtungsmitte [mm] 22
Gliederung Motivation und Anwendungen Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit 23
Konventionelles Kugelstrahlen - Rauheit n 60 50 40 normalisiert V180 V650 gehärtet V450 V300 42CrMo4 V450 Rauheit [ m] 30 20 h 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Strahldruck [bar] bei 1.6 bar 24
Konventionelles Kugelstrahlen - Eigenspannungen 400 200 42CrMo4 Eigenspannungen [MPa] 0-200 -400-600 -800 normalisiert V650 V450 V300 V180 gehärtet -1000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Oberflächenabstand [mm] 25
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
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
Konventionelles Kugelstrahlen - Verfestigungszustand 800 42CrMo4 600 Härte [HV0.3] 400 200 gehärtet V650 V450 normalisiert 0 0,0 0,2 0,4 0,6 Oberflächenabstand [mm] 28
Konventionelles Kugelstrahlen - Mikrostruktur 42CrMo4, normalisiert ungestrahlt kugelgestrahlt Sintereisen kugelgestrahlt 0 P0 =13,28% 1 µm 1 µm Änderung der Porosität [%] -2-4 -6 Sintereisen -8 Dichte 6,9 g/cm 3 1,6 bar ; 1,6kg/min -10 4 bar ; 1,6kg/min 4,5 bar ; 1,6kg/min 8 bar ; 1,6kg/min -12 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Abstand z von der Oberfläche [mm] gleichverteilte Versetzungsstruktur kein Quergleiten wegen hoher Verformungsgeschwindigkeiten 29
Konventionelles Kugelstrahlen - Restaustenitgehalt Werkzeugstahl X210 Cr12 Restaustenitgehalt [Vol-%] 80 60 40 20 X 210 Cr 12 kugelgestrahlt T A = 1100 C T A = 1030 C T A = 1060 C T A = 940 C 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Oberflächenabstand [mm] Restaustenitgehalt [Vol.-%] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Einsatzstahl 17NiCroMo6-4 0 100 200 300 400 500 600 700 Oberflächenabstand [µm] kugelgestrahlt einsatzgehärtet 30
Gliederung Motivation und Anwendungen Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit 31
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
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
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
Modifizierte Kugelstrahlverfahren Konventionelles Kugelstrahlen Spannungsstrahlen Warmstrahlen Konventionelles Kugelstrahlen und Auslagern 35
Warmstrahlen - Randschichtzustand 400 T Strahl = 20 C 400 T Strahl = 290 C 0 0 ES [MPa] L -400-800 * a,r = 1000 MPa N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000 ES [MPa] L -400-800 N = 0 N = 1 N = 10 N = 100 N = 1000 0,0 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 = 1000 2,5 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
Warmstrahlen - Randschichtzustand 37
Warmstrahlen Auswirkungen Randspannungsamplitude [MPa] 900 800 700 600 500 P = 50 % konventionell gestrahlt 42CrMo4, V450 geschliffen 443 400 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 Bruchlastspielzahl warmgestrahlt, 310 C warmgestrahlt, 290 C (+37%) (+25%) R W [MPa] 704 640 510 38
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 100 200 300 400 T A [ C] ES [MPa] L R 0-200 -400-600 T T Strahl = 20 C Strahl = 20 C + 300 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 -800 200 400 600 800 1000 * R bzw. * a,r [MPa] 39
Zusammenfassung Motivation und Anwendungen Verfahren Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Oberflächenhämmern Laserpeening Randschichtzustände nach mechanischen Oberflächenbehandlungen Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit 40
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Forschungsschwerpunkte Kontakt Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wbk Institut für Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze Kaiserstraße 12 76131 Karlsruhe Tel. +49 721 608-42440 Fax: +49 721 608-45005 www.wbk.kit.edu 42