O Einflüsse auf Werkstoff und Bauteil O K ... - osk-kiefer.de · 7 verfestigungsgestrahlt...

7

verfestigungsgestrahlt

ungestrahlt

Beim Verfestigungsstrahlen werden durch gezielten Beschuss mit durch Pressluft oder Fliehkraft beschleunigten, kugelförmigen Partikeln, die wie winzige Schmiede-hämmer wirken, begrenzte plastische und elastische Verformungen in der Bauteil-randschicht erzeugt. Bei der Herz`schen Pressung werden die plastische und elasti-sche Verformung unter der Oberfläche erzeugt. Beide Wirkungen treten stets ne-beneinander auf und werden durch die Strahlkenngrößen beeinflusst. Die elastische Verformung induziert in der plastifizierten Zone hohe Druckeigenspannungen. Das Bauteil wird durch die induzierte Druckeigenspannung an bzw. unter der Oberfläche von externen Zugspannungen entlastet und die Dauerschwingfestigkeit und die Be-ständigkeit gegen Spannungsriss- und Schwingungsrisskorrosion wird gesteigert. Gleichzeitig wird die Entstehung und Fortpflanzung von Rissen behindert.

8

Einflüsse auf Werkstoff und Bauteil durch Verfestigungsstrahlen SO K

Plastifizierte Zone

S1

Wirktiefe S1

Randabstand0 [ mm

Eige

nspa

nnun

g

0

[ N/

Dru

ck

Zug

verfestigungsgestrahlt

ungestrahlt

Beim Verfestigungsstrahlen werden durch gezielten Beschuss mit durch Pressluft oder Fliehkraft beschleunigten, kugelförmigen Partikeln, die wie winzige Schmiede-hämmer wirken, begrenzte plastische und elastische Verformungen in der Bauteil-randschicht erzeugt. Bei der Herz`schen Pressung werden die plastische und elasti-sche Verformung unter der Oberfläche erzeugt. Beide Wirkungen treten stets ne-beneinander auf und werden durch die Strahlkenngrößen beeinflusst. Die elastische Verformung induziert in der plastifizierten Zone hohe Druckeigenspannungen. Das Bauteil wird durch die induzierte Druckeigenspannung an bzw. unter der Oberfläche von externen Zugspannungen entlastet und die Dauerschwingfestigkeit und die Be-ständigkeit gegen Spannungsriss- und Schwingungsrisskorrosion wird gesteigert. Gleichzeitig wird die Entstehung und Fortpflanzung von Rissen behindert.

8

Einflüsse auf Werkstoff und Bauteil durch Verfestigungsstrahlen SO K

Plastifizierte Zone

S1

Wirktiefe S1

Randabstand0 [ mm

Eige

nspa

nnun

g

0

[ N/

Dru

ck

Zug

8

Fahrzeuge und Landmaschinen Achswellen, Radwellen, Antriebswellen, Gelenkwellen, Planetenradträger, Gabel- flansche, Kreuzgelenke, Achsschenkelbolzen, Schaltstangen, Felgen, Stabilisato-ren, Kupplungshebel, Kupplungsfedern, Kupplungsscheiben, Kugelstangen, Turbi-nenräder, Achsfedern

Antriebstechnik und Getriebebau Zahnräder, Ritzel, Hohlräder, Tellerräder, Schneckenwellen, Ankerwellen, Trieb-stockräder, Schneckenräder, Hypoidräder, An- und Abtriebswellen

VerbrennungsmotorePleuelstangen, Zylinderlaufbuchsen, Ventilkipphebel, Ventilfedern, Ventilstößel, Tassenstößel, Kurbelwellen, Nockenwellen, Kolbenkronen, Kolbenbolzen, Kettenla-schen, Kettenräder

Dampf- und Gasturbinen Radscheiben, Turbinenschaufeln, Turbinenläufer

Kompressoren und Pumpen Gehäuse, Laufräder, Leitapparate, Stopfbuchskörper, Ventilplättchen, Ventilsitze, Ventilkörper, Verdichterschrauben, Kurbelwellen, Flügelräder, Wellen, Zylinder

Elektrische und pneumatische Werkzeuge Zylinder, Zylindermäntel, Schlagkolben, Ambosse, Werkzeugträger, Trägerbügel, Tragstifte, Treiber, Antriebsblöcke, Taumeltriebe, Mitnehmer, Handgriffe, Hammer-bohrer, Bohrkronen, Bohrer

Luft- und Raumfahrt Integrale Strukturteile, Fahrwerkskomponenten, Lenkringe, Kolbenrohre, Kolben und Zylinder, An- und Abtriebswellen, Felgen, Lande- und Steuerklappen

MaschinenteileExtruderwellen, Schneckenwellen, Schneckenbuchsen, Spindeln, Dehnschrauben, Passschrauben, Mitnahmeverzahnungen, Drehstabfedern, Federn aller Art, Mem-branen, Mitnehmerflansche, Verschlussschieber, Schmiedestempel, Gesenke, La-gerringe, Lagerkäfige, Laufrollen, Sollbruchsicherungen etc.

Chemische Geräte Rührer, Zentrifugen, Mischer, Trockner, Wendelförderer, Wärmetauscher, Kolon-nen, Behälter, Tauchrohre, Kompensatoren, Schwingförderer

Sonderanwendungen Verdichten, Raustrahlen, Strukturstrahlen, Reinigen, Formen, Richten, Mattieren, Entgraten, Glätten, Gravieren, Entzundern, Abtragen, Dekontaminieren

SO K Anwendungsbeispiele

9

910

SO KAnwendungsbeispiele

10

SO KVerfahren zur Erzeugung von Druckeigenspannungen

Wärmebehandlung - Einsatzhärten - Induktionshärten - Flammhärten - Nitrieren - Abschreckhärten - etc.

Kaltverformung - Verfestigungsstrahlen - Festwalzen - Fliessverfestigen - Kalibrieren - Autofrettieren - etc.

11

11

Druckeigenspannungen können durch verschiedene Pro-zesse induziert werden.

Verfestigungsstrahlen hat besondere Vorteile:

- kurze Vorlaufzeiten - geringe Vorrichtungs- und Werkzeugkosten - Form- und Größenunabhängigkeit - erzeugt im Vergleich die höchsten Druckeigen- spannungen an der Oberfläche - ist besonders wirkungsvoll bei Stoß- und Schlag- beanspruchung - ist besonders wirkungsvoll bei hochfesten Werk- stoffen und bei hohen Spannungskonzentrationen

Verfestigungsstrahlen ist kein Ersatz für Wärmebehand-lungen, aber eine sehr wirksame zusätzliche Maßnahme zur Steigerung der Dauerschwingfestigkeit gehärteter Bau-teile.

12

SO KVerfestigungsstrahlen induziert Druckeigenspannungen in der Rand-Verfestigungsstrahlen induziertDruckeigenspannungen in derRandschicht

12

SO KEinflüsse und Verfahrensziele beim Verfestigungsstrahlen

Einflüsse beim Verfestigungsstrahlen Verfestigungsstrahlen - verändert den Spannungszustand im Bauteil - verändert das Gefüge in der Bauteilrandzone - steigert die Härte in der Bauteilrandzone - verändert die Oberflächentopographie

Verfahrensziele beim Verfestigungsstrahlen Verfestigungsstrahlen - steigert die Schwingfestigkeit (Zeit und Dauerfestigkeit) - steigert die Korrosionsbeständigkeit (Spannungsrisskorrosion und Schwingungsriss- korrosion) - reduziert den Schwingungsverschleiß (Passungsrost und Reibkorrosion) - steigert die Verschleißfestigkeit (Reibung und Kavitation)

13

13

Das wichtigste Ziel der Maßnahme ist die Steige-rung der Dauerschwingfestigkeit.

Höhere Dauerschwingfestigkeit bedeutet:

- geringeres Gewicht bei gleicher Leistung - höhere Leistung bei gleichem Gewicht - kleinere Abmessung bei gleicher Leistung - höhere Leistung bei gleicher Abmessung - größere Werkstoffauswahl bei gleicher Leistung - höhere Leistung bei gleichem Werkstoff - niedrigere Oberflächenqualität bei gleicher Leistung - höhere Leistung bei gleicher Oberflächenqualität - höhere Sicherheit gegen Bauteilversagen - längere Lebensdauer der Bauteile - Ertüchtigung nach Betriebsversagen - Wettbewerbsvorteile durch die Produktaufwertung - Kostensenkung im Service und bei Gewährleistung

Die Steigerung der Schwingfestigkeit ist bei hochfesten und gehärteten Bauteilen, bei dünnen Bauteilen, bei Bauteilen mit hohen Kerb- und Formfaktoren und bei Stoßbelastungen relativ am Größten.

14

SO K Vorteile durch Verfestigungsstrahlen

14

Schadensanalysen zeigen, dass, von seltenen Ausnahmen abgesehen, die Schä-den an Bauteilen unter Betriebsbedingungen von der Oberfläche ausgehen.Die Gründe dafür sind vielfältig: - mechanische Bearbeitung erzeugt Kerben - die höchste Spannung bei fast allen Belastungsarten findet sich an der Oberfläche - Korrosion startet fast immer an der Oberfläche - die Korneinbindung ist an der Oberfläche durch die Bearbeitung geschwächt Verfestigungsstrahlen verlagert die hohen Eigenspannungen von der Oberfläche in das Innere der Bauteile (siehe Seite 16 und 17).Aus diesem Grund erhöht Verfestigungsstrahlen bei hochfesten und gehärteten Werkstoffen besonders wirkungsvoll die Schwingfestigkeit und die Lebensdauer.

SO K Oberflächenschwächen

15

A) Kerbwirkung Makrostruktur gedreht Mikrostruktur geschliffen

B) Spannungsverteilung Biegung

C) Spannungskonzentration Bruchbeginn

D) Korrosion

E) Korneinbindung

Torsion Zug und Druck



15




D) Korrosion

E) Korneinbindung




15




D) Korrosion

E) Korneinbindung


Korneinbindung

Korrosion

Spannungsverteilung

Biegung Torsion Zug u. Druck

Makrostruktur Mikrostruktur

Kerbwirkung

SpannungskonzentrationBruchbeginn

15

chemisch abgetragen gefräst (neues Werkzeug) gefräst (gebrauchtes Werkzeug) geschliffen

Die Eigenspannung an der Oberfläche eines Bauteiles steht im direkten Zu-sammenhang mit seiner Dauerschwingfestigkeit.Verfestigungsstrahlen induziert in der Bauteilrandschicht hohe Druckeigenspannun-gen, die sich mit den Betriebsspannungen überlagern und zu einer deutlichen Ent-lastung der Oberfläche durch die Reduzierung der Zugspannungskomponente führt. An der Oberfläche geschwächte Bauteile (z. B. durch Beschichtung, Entkohlung, Aufkohlung, Entfestigung, Korrosion und mechanische Bearbeitung) verlieren dra-matisch an Dauerfestigkeit. Verfestigungsstrahlen ertüchtigt diese Bauteile und stellt in der Regel deren Dauerfestigkeit im ungeschädigten Zustand wieder her.

16

SO K Eigenspannung und Dauerfestigkeit

32 Ni Cr Mo 8 5, (50 HRC)

0- 800 - 400 + 400 + 800 [ N/mm² ]

Druckeigenspannung Zugeigenspannung

1000

800

600

400

Dau

erfe

stig

keit

[ N/mm² ]

X 4 Cr Ni Cu Nb 16 4, (42 HRC)

0- 800 - 400 + 400 + 800 [ N/mm² ]

Druckeigenspannung Zugeigenspannung

800

600

400

200

[ N/mm² ]

Dau

erfe

s tig

keit

funkenerosiv abgetragen gedreht verfestigungsgestrahlt

16

Verfestigungsstrahlen verändert nur in unbedeutendem Maße die physikalischen Ei-genschaften der Bauteile wie Festigkeit, Zähigkeit, Gefüge und Härte. Der Vorteil und Nutzen des Verfahrens liegt in der Verlagerung der Zugspannung in das Innere der Bauteile.

SO K Spannungsverlagerung durch Verfestigungsstrahlen

17

0ZugspannungDruckspannung

F F

C) Resultierende aus Zug- und Eigenspannung

B) durch Verfestigungsstrahlen induzierte Eigenspannung

A) unter Zugspannung, ungestrahlt 0

FF

F

F

17

Die positive Veränderung der Oberflächentopographie und die Steigerung der Härte in der Randschicht sind Nebeneffekte, die je nach Einsatz und Anwendung, positiv oder auch negativ sein können. Unzulässige Oberflächenqualitäten können im An-schluss an das Verfestigungsstrahlen durch geeignete Verfahren (z. B. Verfesti-gungsstrahlen im “DUO Prozess”, Gleitschleifen, Polieren, Läppen, etc.) nachge-bessert werden (siehe Seite 85).

18

SO K Spannungsverlagerung und Ober- flächenstruktur durch Verfestigungs-strahlen

Makrostruktur

Spannungsverlagerung

0 00

+

Biegung Torsion Druck

-

-

+ +-

Zug


18


Makrostruktur


0 00

+


-

-

+ +-

Zug

18

Druckluftstrahlen

Verfestigungsstrahlen verändert den Spannungszustand, die Oberflächentopogra-phie, die Härte und das Gefüge in der Randschicht von metallischen Bauteilen. Die Auswirkungen werden durch das Zwischenspiel von Strahlkenngrößen, Plastifizie-rung und Werkstoffeigenschaften beeinflußt.

SO K Strahlkenngrößen und Auswirkungen beim Verfestigungsstrahlen

19

Wahl des Strahlsystemes

Strahlmittel-Auftreffgeschwindigkeit und Strahlauftreffwinkel

Kornklasseund Dichte des Strahlmittels

Härtedes Strahlmittels

Strahlmitteltrefferwährend der Strahldauer Strahlmittelbedeckungsgrad

Schleuderstrahlen

Vab Vab

Härteverlauf Eigenspannungsverlauf

Här

te H

V R

esta

uste

nit

Randabstand

Randabstand

HVmax

S1 S2

Randabstand

SEmax

SE0

Eige

nspa

nnun

g S E

Oberflächentopographie Restaustenit

Rt

Rt

geschliffen

= ungestrahlt

= verfestigunsgestrahlt

SEmax =

SE0 =

S1 =

S2 =

HVmax =

Rt =

Maximale Druckeigenspannung

Druckeigenspannung an der Oberfläche

Tiefe des Spannungsmaximums

Wirktiefe des Strahlens

Maximale Härte

Maximale Rauhtiefe

kugelgestrahlt

Druckluftstrahlen

Verfestigungsstrahlen verändert den Spannungszustand, die Oberflächentopogra-phie, die Härte und das Gefüge in der Randschicht von metallischen Bauteilen. Die Auswirkungen werden durch das Zwischenspiel von Strahlkenngrößen, Plastifizie-rung und Werkstoffeigenschaften beeinflußt.

SO K Strahlkenngrößen und Auswirkungen beim Verfestigungsstrahlen

19

Wahl des Strahlsystemes

Strahlmittel-Auftreffgeschwindigkeit und Strahlauftreffwinkel

Kornklasseund Dichte des Strahlmittels

Härtedes Strahlmittels

Strahlmitteltrefferwährend der Strahldauer Strahlmittelbedeckungsgrad

Schleuderstrahlen

Vab Vab

Härteverlauf Eigenspannungsverlauf

Här

te H

V R

esta

uste

nit

Randabstand

Randabstand

HVmax

S1 S2

Randabstand

SEmax

SE0

Eige

nspa

nnun

g S E

Oberflächentopographie Restaustenit

Rt

Rt

geschliffen

= ungestrahlt

= verfestigunsgestrahlt

SEmax =

SE0 =

S1 =

S2 =

HVmax =

Rt =

Maximale Druckeigenspannung

Druckeigenspannung an der Oberfläche

Tiefe des Spannungsmaximums

Wirktiefe des Strahlens

Maximale Härte

Maximale Rauhtiefe

kugelgestrahlt


18


Makrostruktur


0 00

+


-

-

+ +-

Zug

Strahlmittel-geschwindigkeitund -auftreffwinkel

19

Für das wichtigste Ziel der Maßnahme, die Steigerung der Schwingfestigkeit, ist der Tiefenverlauf der Druckeigenspannung die entscheidende Kenngröße. Die Spannung an der Oberfläche, das Spannungsmaximum, die Schichtdicke der plastifizierten Zone und die Tiefenlage des Spannungsmaximums können durch die richtigen Strahlkenngrößen an die Betriebsbelastungen angepasst werden.

20

SO KEigenspannungverlauf und Funk- tionen beim Verfestigungsstrahlen

0

+

F2

F1

F1 = F2

Zugs

pann

ung

Dru

c ks p

a nn u

n g

S2

REm

ax

RE0

Randabstand

S1

REmax. = maximale DruckeigenspannungREmax. = f [Werkstoff, Strahlmittel, Vorspannung]RE0 = Druckeigenspannung an der OberflächeRE0 = f [Werkstoff, Strahldauer, Strahlintensität, Strahlmittel, Vorspannung]S1 = Druckspannungsschichtdicke (Null - Durchgang)S1 = f [Werkstoff, Strahlintensität, Strahldauer]S2 = Tiefe des SpannungsmaximumS2 = f [Werkstoff, Strahldauer, Strahlintensität]

20

98 %

2 x t 98 %

98 %

2 x t 98 %

98 %

2 x t 98 %1,6

1,6

0,60,30

0,38

0,48

0,22

0,18

0,10

0,6

0,3

0,3

Sollkörnung[ mm Ø ]

Strahlintensität [mm A]

Strahlmittel-Bedeckungsgrad

Unterschiedliche Werkstoffe, Wärmebehandlungen und Strahlkenngrößen ergeben unterschiedliche Druckeigenspannungstiefenverläufe.

SO K Druckeigenspannungstiefenverlauf durch Verfestigungsstrahlen

21

Kennlinie

0

+ 200

+ 400

- 200

- 400

- 600

- 800

[ N/mm² ]

Indu

zier

teEi

gens

pan n

ung

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 [ mm ]

Randabstand

Vergütungsstahl, Rm ~ 1300 N/mm²

0

21

53 - 5898 %0,55

46 - 5198 %0,55

46 - 5198 %0,25

Strahlmittelhärte[HRC]



Kennlinie

Nur ausgewogene, an die Belastung, den Werkstoff und das Bauteil angepasste Strahlkenngrößen, führen zum Ziel der Maßnahme und liefern die gewünschten Er-gebnisse.

22


0

+ 200

- 200

- 400

- 600

- 800

- 1000

- 12000 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 [ mm ]

Randabstand

Indu

zier

te E

igen

span

nung

[ N/mm² ] 16 Mn Cr 5, einsatzgehärtet

22

0,401,0Stahldrahtkorn

0,300,6Stahldrahtkorn

Glasperlen 0,2 0,15


Sollkörnung [mm Ø]

StrahlmittelKennlinie

Auch Sonderwerkstoffe, wie hochlegierte Stähle, Aluminiumlegierungen, Titanlegie-rungen, Magnesiumlegierungen, Nickelbasislegierungen, etc. bauen durch Plastifi-zierung Druckeigenspannungen auf und halten diese bei Betriebsbelastungen über lange Zeiträume aufrecht.


23

Abstand von der Oberfläche

+ 200

0

- 200

- 400

- 600

- 800

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 [ mm ]

Indu

zier

te E

igen

span

nung

X 5 Cr Ni 18 9, Rm = 620 N/mm²[ N/mm² ]

Randabstand

23

98 % 1,20,90

0,35 0,8 98 %

98 % 0,50,28

0,18 0,5 98 %

Sollkörnung [mm Ø]



Kennlinie

24


0

+ 200

+ 400

- 200

- 400

-600

Indu

zier

te E

igen

span

nung

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 [mm]

Abstand von der Oberfläche

Al Zn 5,6 Mg 2,5 Cu 1,6 Cr ( 7075 - T6 )[ N/mm² ]

Randabstand

O Einflüsse auf Werkstoff und Bauteil O K ... - osk-kiefer.de · 7 verfestigungsgestrahlt...

Documents

Transcript of O Einflüsse auf Werkstoff und Bauteil O K ... - osk-kiefer.de · 7 verfestigungsgestrahlt...