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Was ist Kugelstrahlen und wie funktioniert es?

Kugelstrahlen (englisch Shot Peening) ist ein Kaltbearbeitungsverfahren, bei dem Druckeigenspannungen in die Oberfläche eines Bauteils eingebracht werden, was zu besseren mechanischen Eigenschaften führt. Das Kugelstrahlen wird eingesetzt, um die Festigkeit zu erhöhen und das Spannungsprofil von Bauteilen zu verringern.

TWI

TWI unterstützt seine industriellen Mitglieder in verschiedenen Fachbereichen der Werkstofftechnik, einschließlich Beschichtung und Oberflächenmodifizierung, Werkstoffprüfung und Produktuntersuchung sowie Inspektion.

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Wie funktioniert Kugelstrahlen?

Beim Kugelstrahlen wird eine Oberfläche von Kugeln (d.h. von runden Metall-, Glas- oder Keramikpartikeln) mit ausreichender Kraft getroffen, um eine plastische Verformung zu erzeugen. Wenn eine Gruppe von Kugeln auf die Oberfläche auftrifft, entstehen mehrere Vertiefungen, die dazu führen, dass das Bauteil von einer druckbelasteten Schicht auf der Metalloberfläche umschlossen wird.

Shot Peening Diagram

Kugelstrahlen Methoden und Medien

Kugelstrahlen wird üblicherweise mit Druckluftstrahlanlagen oder Schleuderrädern durchgeführt. Bei Druckluftstrahlanlagen werden die Strahlen mit Hilfe von Hochdruckluft durch eine Düse auf das Werkstück geschossen. Ein Schleuderrad verwendet ein Hochgeschwindigkeits-Schaufelrad, das das Strahlmittel mit Hilfe der Zentrifugalkraft vorantreibt, indem die Eintrittsstelle des Strahlmittels so eingestellt wird, dass das Strahlmittel rechtzeitig freigesetzt wird. Andere Strahlverfahren sind das Ultraschallstrahlen, das Nassstrahlen und das Laserstrahlen, bei denen keine Strahlmittel verwendet werden.

Als Verfestigungsmittel können Stahlgusskugeln, Keramik- oder Glasperlen und geschnittener Draht verwendet werden. Geschnittenes Drahtkorn wird im Allgemeinen bevorzugt, da es seine kugelförmige Form bei der Zersetzung beibehält, im Gegensatz zu Gusskorn, das in scharfe Stücke zerbrechen und das Werkstück beschädigen kann. Geschnittener Draht hält fünfmal so lange wie Gusskugeln und ist zudem relativ kostengünstig. Der Einsatz von Geräten zur Entfernung von Schrotfragmenten während des Prozesses kann jedoch durch die Reinigung und Wiederaufbereitung von Schrot und Speisern sowie den Austausch beschädigter Medien hilfreich sein.

Warum wird Kugelstrahlen eingesetzt?

Der Hauptvorteil des Kugelstrahlens besteht darin, die Lebensdauer eines Bauteils zu verlängern, indem eine induzierte Druckspannungsschicht erzeugt wird, die den Widerstand gegen Ermüdung (einschließlich Korrosionsermüdung, Spannungskorrosion und Kavitationserosion) erhöht und gleichzeitig der Entstehung und Ausbreitung von Rissen entgegenwirkt. Spannungsrisskorrosion wird auch im Inneren des Werkstoffs verhindert, da die plastische Verformung, die durch die verschiedenen Arten des Kugelstrahlens und des Laserstrahlens hervorgerufen wird, zugbelastete Teile von innen her unterstützt. Zugspannungen im Inneren eines Werkstoffs sind jedoch weniger problematisch, da Oberflächenrisse weniger wahrscheinlich im Inneren eines Werkstoffs entstehen.

Messung der Auswirkungen des Kugelstrahlens

Die durch das Verfestigungsstrahlen erzeugten Druckeigenspannungen an der Oberfläche hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. von der Intensität und der Deckkraft des Strahlmittels.

Eine Methode zur Messung der Auswirkungen des Kugelstrahlens wurde von John Almen entwickelt, der den „Almen-Streifen“ zur Messung der durch das Verfahren erzeugten Druckspannungen erfand. Die Intensität des Strahlstroms lässt sich an der Verformung des Almenstreifens ablesen. Dies geschieht, wenn das Band eine Verformung von 10 % erreicht hat und dann doppelt so lange mit der gleichen Intensität beschossen wird. Wenn sich das Band dann um weitere 10 % verformt, kann die Intensität des Strahls gemessen werden.

Der Deckungsgrad des Prozesses kann auch mit einer von R. Bosshard entwickelten Almen-Runde gemessen werden. Damit wird der prozentuale Anteil der eingedrückten Oberfläche gemessen, indem die Veränderungen des Winkels des Strahls bewertet werden. Da der Strahl kegelförmig ist, trifft das Strahlmittel in unterschiedlichen Winkeln auf die Materialoberfläche. Durch überlappende Durchgänge kann die Abdeckung verbessert werden, während eine druckbelastete Oberfläche mit weniger als 50 % Abdeckung erzeugt werden kann. Es ist jedoch wichtig, den Bedeckungsgrad zu optimieren, um den gewünschten Oberflächeneffekt zu erzielen. Zu den Faktoren, die sich auf die Bedeckung auswirken können, gehören die Anzahl der Schläge (Schussfluss), die Belichtungszeit, die Schusseigenschaften (Größe, Chemie des Schusses) und die Eigenschaften des Werkstücks selbst. Die prozentuale Bedeckung wird häufig anhand einer visuellen Prüfung ermittelt, wobei die Bedeckung aufgrund des zufälligen Charakters des Prozesses nicht linear proportional ist. So bedeutet beispielsweise eine 100%ige Deckung, dass Stellen auf der Materialoberfläche mehrmals getroffen werden, eine 150%ige Deckung, dass an 52% der Stellen fünf oder mehr Schläge erfolgt sind, während eine 200%ige Deckung bedeutet, dass an 84% der Stellen fünf oder mehr Schläge erfolgt sind. Kleinere Schrotkugeln erzeugen mehr Schläge pro Pfund, was eine kürzere Belichtungszeit erfordert, und härtere Schrotkugeln erzeugen auch eine größere Deckung als weiche Schrotkugeln, da die härteren Schrotkugeln tiefer eindringen können, um einen größeren Eindruck zu hinterlassen.

Die Ermüdungslebensdauer des Werkstücks wird durch unvollständige oder übermäßige Bedeckung verringert. Ein zu starkes Strahlen führt zu einer übermäßigen Kaltverformung der Werkstückoberfläche, die zu Ermüdungsrissen führen kann. Daher ist es wichtig, neben der Intensität des Verfestigungsstrahlens und der Einwirkungszeit auch die Materialeigenschaften zu berücksichtigen.

Wird durch Kugelstrahlen Material abgetragen?

Beim Kugelstrahlen können einige der höher gelegenen Stellen der Oberfläche eines Werkstoffs abgetragen werden. Diese Oberflächenbereiche enthalten geringere Druckspannungen als die tieferen Bereiche des Materials, obwohl die meisten äußeren Spannungserhöhungen abgeschliffen werden können.

Erhöht Kugelstrahlen die Härte?

Da Kugelstrahlen ein Kaltbearbeitungsverfahren ist, kann es zu einer Erhöhung der Oberflächenhärte führen.

Was ist der Unterschied zwischen Sandstrahlen und Kugelstrahlen?

Sandstrahlen (Shot Blasting) ist ein industrielles Verfahren zur Veränderung der Oberfläche eines Bauteils. Das Verfahren funktioniert nach dem Prinzip der Abrasion. Ein Strom von Strahlmittelpartikeln wird unter hohem Druck auf die Oberfläche eines Bauteils geschleudert, um eine raue Oberfläche zu glätten, eine glatte Oberfläche aufzurauen, eine Oberfläche zu formen oder Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Sandstrahlen wird häufig zur Vorbereitung einer Oberfläche für nachfolgende Arbeitsgänge, wie z. B. das Lackieren von Schweißnähten, eingesetzt.

Das bereits beschriebene Kugelstrahlen (Shot Peening) unterscheidet sich vom Strahlen dadurch, dass es zur Verbesserung der Materialeigenschaften der Oberfläche durch das Einwirken von Druckspannungen eingesetzt wird.

Vorteile

Zu den Vorteilen des Kugelstrahlens gehören eine verbesserte Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, selbst bei der Bearbeitung komplexer geometrischer Teile. Das Verfahren ist bekannt und relativ kostengünstig und verfügt über umfangreiche Forschungs- und Qualitätskontrollen, um seine Wirksamkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus sind das Material und die Ausrüstung leicht erhältlich.

Abgesehen von der Verbesserung der Materialeigenschaften kann das Kugelstrahlen eine körnige Oberfläche erzeugen, die bei bestimmten Anwendungen von Vorteil sein kann.

Einschränkungen

So vorteilhaft die durch das Verfahren erzeugte körnige Oberfläche für einige Anwendungen sein kann, so unerwünscht kann sie für andere sein. Kugelstrahlen kann auch Teile mit engen Toleranzen verzerren, obwohl dies beim Feinkornverfestigungsstrahlen kein so großes Problem darstellt.

Anwendungen

Kugelstrahlen wird in einer Vielzahl von Branchen zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Bauteilen eingesetzt, z. B. in der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie. Beispiele für Bauteile sind:[1]

  • Getriebeteile
  • Nockenwellen
  • Federn
  • Pleuelstangen
  • Kurbelwellen
  • Getrieberäder
  • Kolben
  • Bohrer
  • Propellerwellen
  • Kompressorschaufeln
  • Turbinenschaufeln
  • Fahrwerk
  • Epidurale Sonden

Neben diesen Anwendungen kann das Kugelstrahlen auch zur Sandentfernung in Gießereien, zum Entkernen, Entzundern und zur Oberflächenbearbeitung von Gussteilen für Motorblöcke und Zylinderköpfe eingesetzt werden.

Das Verfahren wird auch häufig zum Abbau von Zugspannungen eingesetzt, die durch Kaltverfestigung bei der Reparatur von Flugzeugen entstehen. Wo Verfahren wie das Schleifen Zugspannungen erzeugen können, kann das Kugelstrahlen diese durch günstige Druckspannungen ersetzen. Abhängig von Faktoren wie Schussqualität, Material, Intensität und Deckung kann das Kugelstrahlen die Ermüdungslebensdauer um bis zu 1000 % erhöhen.

Kugelstrahlen kann auch zu kosmetischen Zwecken eingesetzt werden, indem eine Rauheit erzeugt wird, die das Licht von der Oberfläche effektiver streut als bei Verfahren wie Sandstrahlen.

Das Verfahren kann auch zum Aufbringen von Material auf Metalloberflächen verwendet werden, indem ein zusätzliches Pulver oder eine Flüssigkeit mit der gewünschten Oberflächenbeschichtung verwendet wird. Bei dieser Anwendung wird das Strahlmittel durch das Pulver oder die Flüssigkeit geschossen, die dann das Werkstück durch den Aufprall während des Peening-Prozesses beschichtet. Auf diese Weise wurden keramische Beschichtungen eingebettet und Festschmierstoffe auf Oberflächen aufgebracht, wobei die Beschichtung aufgrund des chaotischen Charakters des Verfestigungsprozesses zufällig ist.

Was kostet Kugelstrahlen?

Kugelstrahlen wird oft als zusätzliche Kosten angesehen, da es sich um eine zusätzliche Behandlung handelt. Wenn diese Kosten jedoch berücksichtigt werden, kann es später tatsächlich zu Kosteneinsparungen führen. Die Verringerung von Problemen im Zusammenhang mit Ermüdung, Spannungskorrosion oder anderen Oberflächenfehlern kann die Leistung von Teilen verlängern und die Kosten für Wartung und Überholung senken. Darüber hinaus können Oberflächenbehandlungen zu weniger Kundenreklamationen und größerem Kundenvertrauen führen.

Die kurzfristigen Kosten des Kugelstrahlens stellen zwar einen zusätzlichen Aufwand dar, sind aber unbedeutend im Vergleich zu Schadensersatzansprüchen, verlorener Produktionszeit oder teurer Neukonstruktion und Ersatz. Die tatsächlichen Kosten für das Verfestigungsstrahlen variieren je nach Technik und verwendetem Material, aber es ist offensichtlich, dass die Übernahme der Kosten für das Verfestigungsstrahlen billiger ist als ein Ausfall, der aus der Nichtdurchführung des Verfahrens resultiert.

Wie kann TWI Ihnen helfen?

Das TWI arbeitet seit langem mit seinen Mitgliedern in einer Reihe von Industriezweigen zusammen, um die Leistung von Werkstoffen durch zusätzliche Bearbeitungsmethoden zu verbessern.

Bitte kontaktieren Sie uns auf Englisch, um mehr zu erfahren.

 

Quellennachweise

[1] P. P. Shukla, P. T. Swanson und C. J. Page: ‘Laser shock peening and mechanical shot peening processes applicable for the surface treatment of technical grade ceramics: A review.’ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 228(5), 2014, S. 639–652. doi: 10.1177/0954405413507250.

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