Kugelstrahlen

Kugelstrahlen ist ein Kaltumformverfahren zur Erzeugung einer Druckeigenspannungsschicht und zur Modifizierung der mechanischen Eigenschaften von Metallen und Verbundwerkstoffen. Dabei wird eine Oberfläche mit Kugeln (runden Metall-, Glas- oder Keramikpartikeln) mit ausreichender Kraft beschossen, um eine plastische Verformung zu erzielen . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

In der Zerspanung wird Kugelstrahlen zur Festigkeitssteigerung und Spannungsentlastung von Bauteilen wie Kurbelwellen und Pleuelstangen in Automobilen eingesetzt . In der Architektur verleiht es Metalloberflächen eine matte Oberfläche. Mechanisch ähnelt das Kugelstrahlen dem Sandstrahlen , jedoch dient es nicht dem Materialabtrag, sondern nutzt die Plastizität des Materials , wobei jedes Partikel wie ein Kugelhammer wirkt .

Durch Kugelstrahlen wird eine Oberfläche plastisch verformt, was zu Veränderungen ihrer mechanischen Eigenschaften führt. Hauptanwendungsgebiet ist die Verhinderung der Ausbreitung von Mikrorissen in einer Oberfläche. Indem das Material unter Druckspannung gesetzt wird, verhindert das Kugelstrahlen die Ausbreitung solcher Risse. ^{[ 3 ]}

Kugelstrahlen wird häufig bei Flugzeugreparaturen eingesetzt, um die beim Schleifen entstehenden Zugspannungen abzubauen und durch vorteilhafte Druckspannungen zu ersetzen. Abhängig von der Bauteilgeometrie, dem Bauteilmaterial, dem Strahlmittel, der Strahlmittelqualität, der Strahlintensität und der Strahlmittelabdeckung kann Kugelstrahlen die Dauerfestigkeit um bis zu 1000 % erhöhen. ^{[ 4 ] [ 2 ]}

Plastische Verformung erzeugt in einer gestrahlten Oberfläche Druckeigenspannungen sowie Zugspannungen im Inneren. Druckspannungen an der Oberfläche verleihen dem Material Beständigkeit gegen Materialermüdung und bestimmte Formen der Spannungsrisskorrosion . [ ^{1 ] Die} Zugspannungen im Inneren des Bauteils sind weniger problematisch als die an der Oberfläche, da Risse dort seltener entstehen.

Die Intensität ist ein entscheidender Parameter beim Kugelstrahlen. Nach einigen Weiterentwicklungen des Verfahrens wurde ein Analogverfahren benötigt, um die Auswirkungen des Kugelstrahlens zu messen. John Almen beobachtete, dass sich die freiliegende Seite des Blechs beim Kugelstrahlen zu biegen und zu dehnen begann. Er entwickelte den Almen-Streifen , um die durch den Kugelstrahlprozess erzeugten Druckspannungen im Streifen zu messen. Die sogenannte „Strahlintensität“ lässt sich durch Messung der Verformung des Almen-Streifens während des Kugelstrahlprozesses bestimmen. ^{[ 1 ]} Sobald der Streifen eine Verformung von 10 % erreicht hat, wird der Almen-Streifen mit der gleichen Intensität für die doppelte Zeitdauer bestrahlt. Verformt sich der Streifen um weitere 10 %, erhält man die Strahlintensität.

Eine weitere Methode zur Messung der Intensität eines Kugelstrahlprozesses ist die Verwendung einer Almen-Runde , die von R. Bosshard entwickelt wurde.

Der Bedeckungsgrad , also der prozentuale Anteil der Oberfläche, der mindestens einmal eingedrückt wurde, variiert aufgrund des Einfallswinkels des Strahlmittelstrahls auf die Werkstückoberfläche. Da der Strahl kegelförmig ist, trifft das Strahlmittel in unterschiedlichen Winkeln auf. Durch die Bearbeitung der Oberfläche mit mehreren überlappenden Durchgängen lässt sich der Bedeckungsgrad verbessern, jedoch bleiben Streifenbildungen bestehen. Die Ausrichtung der Strahlmittelachse auf die Achse des Almen-Streifens ist wichtig. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Bedeckungsgrad von unter 50 % eine durchgehend druckbeanspruchte Werkstückoberfläche erzeugt werden kann, der Bedeckungsgrad jedoch mit Annäherung an 100 % abnimmt. Die Optimierung des Bedeckungsgrades für den jeweiligen Prozess ist entscheidend für die Erzielung des gewünschten Oberflächeneffekts. ^{[ 5 ]}

Die SAE International ^{[ 6 ]} enthält mehrere Normen für das Kugelstrahlen in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in anderen Branchen.

Gängige Verfahren zum Beschleunigen von Strahlmitteln sind Druckluftstrahlanlagen und Zentrifugalstrahlanlagen. Bei Druckluftstrahlanlagen werden die Strahlmittel mittels verschiedener Methoden in den Hochdruckluftstrom eingeleitet und durch eine auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtete Düse beschleunigt. Die Zentrifugalstrahlanlage besteht aus einem schnell rotierenden Schaufelrad. Die Strahlmittel werden in die Mitte des rotierenden Rades eingeführt und durch die Zentrifugalkraft der rotierenden Schaufeln auf das Werkstück beschleunigt. Die Strahlmittelabgabe wird durch die Anpassung der Eintrittsposition präzise gesteuert. Weitere Verfahren sind Ultraschallstrahlen, Kavitationsstrahlen mit Wasserstrahl und Laserstrahlen (bei dem keine Strahlmittel verwendet werden). Industrielle Strahlverfahren werden üblicherweise in kontrollierten Umgebungen eingesetzt, um die Dauerfestigkeit und die Oberflächeneigenschaften von Metallbauteilen zu verbessern. ^{[ 7 ]}

Als Strahlmittel stehen unter anderem kugelförmige Stahlgusskugeln, Keramikkugeln, Glaskugeln oder konditionierte (abgerundete) Drahtkugeln zur Auswahl . ^{[ 8 ]} Drahtkugeln werden bevorzugt, da sie im Gegensatz zu Gusskugeln, die zum Zerbrechen in scharfe Stücke neigen und das Werkstück beschädigen können, ihre Rundung auch bei Abnutzung beibehalten. Drahtkugeln haben eine bis zu fünfmal längere Standzeit als Gusskugeln. Da für das Kugelstrahlen gut abgestufte Kugeln mit gleichmäßiger Härte, gleichmäßigem Durchmesser und gleichmäßiger Form erforderlich sind, ist ein Mechanismus zur Entfernung von Kugelfragmenten während des gesamten Prozesses wünschenswert. Es sind Anlagen erhältlich, die Separatoren zur Reinigung und Aufbereitung der Kugeln sowie Zuführungen zur automatischen Zufuhr neuer Kugeln zum Austausch des beschädigten Materials umfassen. ^{[ 9 ]}

Zu den Strahlanlagen gehören Satellitenrotationsanlagen, rotierende Durchlaufkomponenten und verschiedene Manipulatorkonstruktionen. Es gibt sowohl Systeme mit Hängeschienen als auch Modelle mit umgekehrtem Förderband. Die Werkstückaufnahme umfasst Drehtische, Be- und Entladeroboter sowie Vorrichtungen zur Aufnahme mehrerer Werkstücke. Für größere Werkstücke stehen Manipulatoren zur Verfügung, die diese so positionieren, dass bestimmte Bereiche dem Strahlmittel ausgesetzt werden. ^{[ 9 ]}

Drahtkugeln sind Metallkugeln, die beim Kugelstrahlen verwendet werden ^{[ 2 ].} Dabei werden kleine Partikel mit einem Druckluftstrahl auf ein Werkstück geschossen. Es handelt sich um ein kostengünstiges Fertigungsverfahren, da das Ausgangsmaterial preiswert ist. Die beim Schneiden entstehenden Partikel sind aufgrund der scharfen Kanten ein wirksames Abrasivmittel; allerdings sind sie als Strahlmittel ungeeignet, da ihre scharfen Kanten für den Prozess nicht geeignet sind.

Das Schrotgut wird aus hochwertigem Draht hergestellt, wobei jedes Korn auf eine Länge zugeschnitten wird, die in etwa seinem Durchmesser entspricht. Bei Bedarf werden die Kornspitzen abgerundet, um die beim Schneidprozess entstandenen scharfen Kanten zu entfernen. Je nach Anwendung sind verschiedene Härtegrade verfügbar; je höher die Härte des Schrotguts, desto geringer die Standzeit.

Weitere Anwendungsgebiete für Drahtschleifmaschinen sind das Trommelpolieren und das Vibrationsschleifen .

Faktoren, die die Deckungsdichte beeinflussen, sind: Anzahl der Einschläge (Schrotfluss), Belichtungszeit, Eigenschaften des Strahlmittels (Größe, chemische Zusammensetzung) und Eigenschaften des Werkstücks. Die Deckung wird visuell überwacht, um den prozentualen Deckungsgrad (0–100 %) zu bestimmen. Eine Deckung über 100 % kann nicht ermittelt werden. Die Anzahl der Einzeleinschläge ist linear proportional zum Strahlfluss, zur Belichtungsfläche und zur Belichtungszeit. Die Deckung ist aufgrund der zufälligen Natur des Prozesses ( Chaostheorie ) nicht linear proportional. Bei einer Deckung von 100 % wurden Stellen auf der Oberfläche mehrfach getroffen. Bei einer Deckung von 150 % treten an 52 % der Stellen 5 oder mehr Einschläge auf. Bei einer Deckung von 200 % treten an 84 % der Stellen 5 oder mehr Einschläge auf.

Die Deckkraft hängt von der Strahlgeometrie sowie der chemischen Zusammensetzung von Strahlmittel und Werkstück ab. Die Strahlmittelgröße bestimmt die Anzahl der Einschläge pro Kilogramm. Kleinere Strahlmittel erzeugen mehr Einschläge pro Kilogramm und benötigen daher weniger Belichtungszeit. Weiche Strahlmittel, die auf hartes Material treffen, benötigen im Vergleich zu harten Strahlmitteln, die auf weiches Material treffen, eine längere Belichtungszeit, um eine akzeptable Deckkraft zu erzielen (da die härteren Strahlmittel tiefer eindringen und somit einen größeren Eindruck erzeugen).

Die Abdeckung und Intensität (gemessen mit Almen-Streifen) haben einen erheblichen Einfluss auf die Dauerfestigkeit. Dies betrifft eine Vielzahl von Werkstoffen, die typischerweise kugelgestrahlt werden. Unvollständige oder übermäßige Abdeckung und Intensität können die Dauerfestigkeit verringern. Übermäßiges Kugelstrahlen führt zu übermäßiger Kaltverformung der Werkstückoberfläche, was ebenfalls zu Ermüdungsrissen führen kann. ^{[ 9 ]} Bei der Entwicklung von Parametern für Abdeckung und Intensität ist Sorgfalt geboten, insbesondere bei Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften (z. B. weicheres bis härteres Metall). Die Prüfung der Dauerfestigkeit über einen Parameterbereich ergibt einen optimalen Bereich (Sweet Spot), in dem die Dauerfestigkeit nahezu exponentiell bis zu einem Maximalwert ansteigt (x = Strahlintensität bzw. Strahlenergie, y = Zeit bis zum Riss bzw. Dauerfestigkeit) und anschließend mit zunehmender Intensität oder Abdeckung rapide abfällt. Der optimale Bereich korreliert direkt mit der übertragenen kinetischen Energie und den Materialeigenschaften des Strahlmittels und des Werkstücks.

Kugelstrahlen wird bei Zahnradteilen, Nocken und Nockenwellen, Kupplungsfedern, Schraubenfedern, Pleuelstangen, Kurbelwellen, Zahnrädern, Blatt- und Federn, Gesteinsbohrern, Stahlbändern und Turbinenschaufeln eingesetzt . [ 2 ] Es dient auch in Gießereien zum Entfernen von Sand , zum Entzundern ^{, Entrosten und} zur Oberflächenveredelung von Gussteilen wie Motorblöcken und Zylinderköpfen . Die entzundernde Wirkung kann bei der Herstellung von Stahlprodukten wie Bändern, Blechen, Drähten und Stangenmaterial genutzt werden. ^{[ 1 ] [ 9 ]} Kugelstrahlen kann auch für kosmetische Effekte eingesetzt werden. Ein kosmetischer Effekt besteht darin, dass die durch die überlappenden Vertiefungen entstehende Oberflächenrauheit das Licht bei der Reflexion streut . Da beim Kugelstrahlen typischerweise größere Oberflächenstrukturen als beim Sandstrahlen erzeugt werden, ist der resultierende Effekt ausgeprägter.

Kugelstrahlen ist ein entscheidender Prozess in der Federnherstellung. Zu den Federtypen gehören Blattfedern, Zugfedern und Druckfedern. Am häufigsten wird es bei Ventilfedern (Druckfedern) eingesetzt, da diese einer hohen zyklischen Ermüdung ausgesetzt sind. Bei der Erstausrüstung von Ventilfedern (OEM) gewährleistet das Kugelstrahlen deren Langlebigkeit. Automobilhersteller setzen im Zuge der Motorenentwicklung zunehmend auf leistungsfähigere Ventilfedern mit höheren Belastungen. Im Aftermarket-Bereich ist das kontrollierte, mehrstufige Kugelstrahlen unerlässlich, um den extremen Oberflächenspannungen standzuhalten, die die Materialspezifikationen mitunter überschreiten. Die Ermüdungslebensdauer einer Hochleistungsfeder (NHRA, IHRA) kann bereits nach zwei Läufen auf einer Viertelmeile-Dragsterstrecke erreicht sein, bevor es zu Ermüdung oder Bruch kommt.

Kugelstrahlen wird bei Stahlbändern eingesetzt, um deren Lebensdauer zu verlängern, Risse zu reduzieren und Druckspannungsschichten zu erzeugen. Die komprimierten Kugeln erzeugen Vertiefungen im kaltverformten Metall und bringen so hohe Druckspannungen ins Spiel. Überlappende Vertiefungen erzeugen eine durchgehende Eigenspannungsschicht . Da die meisten Ermüdungs- und Spannungsrisskorrosionsschäden an der Oberfläche entstehen, reduziert die Druckspannungsschicht Oberflächenrisse und kann die Lebensdauer des Bandes verlängern. ^{[ 10 ]} Das Kugelstrahlen beginnt in der Mitte des Bandabschnitts und schreitet zum Rand hin fort. Der Prozess beginnt typischerweise mit niedrigem Druck und wird schrittweise erhöht, bis eine deutliche Veränderung der Bandkrümmung sichtbar ist. Bei einem ausscheidungsgehärteten Edelstahlband kann der erforderliche Druck bis zu 90 PSI betragen. ^{[ 11 ]}

Kugelstrahlen und Sandstrahlen eignen sich zum Aufbringen von Materialien auf Metalloberflächen. Dabei werden Strahlmittelpartikel durch ein Pulver oder eine Flüssigkeit mit der gewünschten Oberflächenbeschichtung gestrahlt. Der Aufprall bildet eine Schicht oder Beschichtung auf der Werkstückoberfläche. Dieses Verfahren wurde bereits zur Einbettung von Keramikbeschichtungen eingesetzt, allerdings ist die Beschichtung eher unregelmäßig als gleichmäßig. 3M entwickelte ein Verfahren, bei dem eine Metalloberfläche mit Partikeln gestrahlt wird, die einen Kern aus Aluminiumoxid und eine äußere Schicht aus Siliziumdioxid besitzen. Das Ergebnis ist eine Verschmelzung des Siliziumdioxids mit der Oberfläche. Das von der NASA entwickelte Verfahren der Kugelstrahlplattierung (Peen-Plating) besteht aus feinen Metall- oder Nichtmetallpulvern, die mithilfe von Glasperlen als Strahlmittel auf Metalloberflächen aufgebracht werden. Das Verfahren wurde weiterentwickelt und ermöglicht nun auch das Aufbringen von Festschmierstoffen wie Molybdändisulfid . Biokompatible Keramiken werden so bereits für biomedizinische Implantate verwendet. Bei der Kugelstrahlplattierung wird das Beschichtungsmaterial durch die Kollisionen mit den Strahlmitteln hohen Temperaturen ausgesetzt und muss zudem in Pulverform vorliegen, was die Auswahl der verwendbaren Materialien einschränkt. Um das Hitzeproblem zu lösen, ermöglicht ein Verfahren namens temperaturmodulierte, kollisionsvermittelte Beschichtung (TM-CMC) den Einsatz von Polymeren und antibiotischen Materialien für gestrahlte Beschichtungen. Die Beschichtung wird als Aerosol gleichzeitig mit einem Strahl von Strahlpartikeln auf die Oberfläche aufgebracht. Das TM-CMC-Verfahren befindet sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase. ^{[ 12 ]}

Das Eigenspannungsprofil im Untergrund wird mithilfe von Verfahren wie Röntgenbeugung und Härteprofilanalyse gemessen. Die X-Achse gibt die Tiefe in mm oder Zoll an, die Y-Achse die Eigenspannung in ksi oder MPa. Das maximale Eigenspannungsprofil kann durch verschiedene Faktoren des Kugelstrahlens beeinflusst werden, darunter Bauteilgeometrie, Werkstoff, Strahlmittel, Strahlmittelqualität, Strahlintensität und Strahlmittelabdeckung. Beispielsweise kann das Kugelstrahlen eines gehärteten Stahlbauteils und die anschließende Anwendung desselben Verfahrens auf ein anderes, ungehärtetes Bauteil zu einer Überbeanspruchung führen. Dies bewirkt einen starken Abfall der Oberflächeneigenspannungen, beeinflusst aber nicht die Spannungen im Untergrund. Dies ist kritisch, da die maximalen Spannungen typischerweise an der Materialoberfläche auftreten. Die Reduzierung dieser geringeren Oberflächenspannungen kann durch eine mehrstufige Nachbearbeitung mit unterschiedlichen Strahlmitteldurchmessern und anderen Oberflächenbehandlungen erreicht werden, die die Schicht mit niedrigen Eigenspannungen entfernen.

Die Druckeigenspannung in einer Metalllegierung entsteht durch die Übertragung kinetischer Energie (KE) von einer bewegten Masse (Kugelstrahl oder Strahlmittel) auf die Oberfläche eines plastisch verformbaren Materials. Das Eigenspannungsprofil hängt auch von der Strahlmitteldichte ab. Die Kollisionsmechanik umfasst die Eigenschaften des Strahlmittels (Härte, Form und Struktur) sowie die Eigenschaften des Werkstücks. Faktoren für die Prozessentwicklung und die Steuerung der KE-Übertragung beim Kugelstrahlen sind: Strahlgeschwindigkeit (Raddrehzahl bzw. Luftdruck/Düsenkonstruktion), Strahlmittelmasse, Strahlmittelzusammensetzung, Auftreffwinkel und Werkstückeigenschaften. Beispiel: Für sehr hohe Eigenspannungen sind folgende Maßnahmen erforderlich: großkalibrige Drahtstrahlkugeln, ein hochintensiver Prozess, direkter Strahl auf das Werkstück und ein sehr hartes Werkstückmaterial.

• Autofrettage , das Druckeigenspannungen in Druckbehältern erzeugt.
• Einsatzhärtung
• Differenzielle Härtung
• Stahlschleifmittel
• Hochfrequenz-Schlagbehandlung – Nachbehandlung von Schweißnahtübergängen
• Suncorite
• Trimit