Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze -...

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde

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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

33

Typische Anwendungen

TurbinenscheibenWerkstoff: Nickelbasislegierungen

Intensitätsnachweis erfolgt im Nutgrund,weil indirektes Strahlen für die Tragflankenzulässig ist.


4






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


6

Konventionelle, trockene Strahlsysteme

Schleuderradstrahlen Druckluftstrahlen


7

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


8

Festwalzen im Einstich

Einstich

Vorschub

3D-Walzen


9

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]


10

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


11

Klassifizierung der Hämmernden Verfahren


12

Klassifizierung der Hämmernden Verfahren


13

• 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


14

Gefräste OberflächeRa =1,5 μm

Gehämmerte OberflächeRa =0,6 μm

Reduzierung der Oberflächenrauheit kugelgefräster Werkstücke


15

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


16

Bearbeitung eines Zamak‐Ziehstempels

vor dem Oberflächenhämmern nach dem Oberflächenhämmern

Oberflächenfinish von Umformwerkzeugen


17

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


18

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


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-LaserPulse von 8 bis 50 ns und bis zu 50 J

AnwendungTurbinenschaufeln und Scheiben (F-16, B-1)GetriebewellenWälzlagerkomponentenNietverbindungen am Flugzeugrumpf


20

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


21

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]


22

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


23






24

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


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


26

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


27

0,0 0,1 0,2 0,3 0,40

2

4

6

8

42CrMo4


Hal

bwer

tsbr

eite

[°2

]

gehärtet V300° V650° V180° V450° normalisiert

Konventionelles Kugelstrahlen - Verfestigungszustand


28

0,0 0,2 0,4 0,60

200

400

600

800

42CrMo4


Här

te [H

V0.3

]

gehärtet V650° V450° normalisiert

Konventionelles Kugelstrahlen - Verfestigungszustand


29

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


30

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


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


31






32

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)

+

-


33

Surface Engineering: Grundzüge

Gezielte Einstellung der Oberflächeneigenschaften:Eigenspannungen, Verfestigungszustand, Rauheit, …

Optimierung des Lebensdauerverhaltens

Surface Engineering anhand mechanischer OberflächenbehandlungenTypische Verfahren:

Kugelstrahlen Festwalzen Maschinelles Hämmern


34

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


35

Konventionelles Kugelstrahlen Spannungsstrahlen

Warmstrahlen Konventionelles Kugelstrahlen und Auslagern

Modifizierte Kugelstrahlverfahren


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

]


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

]


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

]


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

]


Warmstrahlen - Randschichtzustand


37

Warmstrahlen - Randschichtzustand


38

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


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


40

Zusammenfassung Motivation und Anwendungen





41 Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Mechanische Oberflächenbehandlungen29.10.2015

42

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

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