Wie Sentenso die Dauerfestigkeit von Bauteilen verbessert

Die Eigenspannung in Oberflächen ist ein entscheidender Faktor für die Dauerfestigkeit von kugelgestrahlten Bauteilen. Durch ein neuartiges Messverfahren und ein schnelles und mobiles Röntgendiffraktometer kann der Zeitaufwand Strahlprozesse zu entwickeln und zu validieren erheblich reduziert werden.

Eine Vielzahl von Komponenten wird heutzutage kugelgestrahlt. Kugelstrahlprozesse werden in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und vielen anderen Industriezweigen eingesetzt, um die Dauerfestigkeit und damit die Lebensdauer von dynamisch belasteten Bauteilen zu verbessern. Allerdings ist die Kontrolle des Strahlprozesses zeitaufwändig und kann daher nicht in den Produktionsprozess integriert werden.

Kontrolle von Kugelstrahlprozessen

Kugelstrahlprozesse werden über ein standardisiertes Messverfahren, die sogenannte Strahlintensität, kontrolliert. Neben der Intensität, die aussagt, wie „hart“ das Strahlmittel das Bauteil (genannt Strahlgut) trifft, wird außerdem der Deckungsgrad eines Strahlprozesses visuell und mit optischen Hilfsmitteln bestimmt. Er gibt an, welcher prozentuale Anteil der Strahlgutoberfläche durch Strahlmittel verformt wurde. Das Strahlmittel als Werkzeug des Prozesses muss ebenfalls laufend auf seine Qualität überprüft werden. So werden regelmäßig Strahlmittelproben aus dem laufenden Prozess entnommen und auf ihre Kornform und Korngröße untersucht. Mithilfe der drei Qualitätsparameter Strahlmitteleigenschaften, Intensität und Deckungsgrad können Kugelstrahlprozesse auf Ihre Reproduzierbarkeit überwacht werden. Weicht einer der Parameter von dem Sollwertbereich ab, kann der Prozessverantwortliche geeignete Gegenmaßnahmen treffen und beispielsweise Verschleißteile austauschen, oder Maschinenparameter anpassen. Keiner der erwähnten Qualitätsparameter gibt allerdings eine direkte Auskunft über die zu erwartende Dauerfestigkeit des fertigen Bauteils. Diese muss durch zeitaufwändige Versuchsreihen ermittelt werden.

Zur Reduzierung dieses Versuchsaufwands kann die Eigenspannung in den kugelgestrahlten Bauteilen bestimmt werden, da insbesondere der Eigenspannungs-Tiefenverlauf entscheidenden Einfluss auf die Dauerfestigkeit hat. Die Durchführung erfolgt klassischerweise im herstellereigenen oder in externen Laboren. Die Messungen für Forschung und Entwicklung sind üblicherweise sehr zeitaufwändig, da eine Vielzahl an Prozessparametern des Kugelstrahlens eingestellt und miteinander kombiniert werden können. Die Zusammenhänge von Prozess- und Qualitätsparametern sind im Groben zwar bekannt, allerdings wirken sich die Prozessparameter auf unterschiedliche Bauteile zum Teil sehr unterschiedlich aus. Die zeitliche Verzögerung zwischen Produktion des Bauteils und Eigenspannungsergebnis ist entsprechend hoch und erschwert die Qualitätssicherung. Hinzu kommen dann die außerplanmäßigen Messungen der Eigenspannung für Forschung und Entwicklung, die die Laborkapazitäten stark auslasten können.

Eigenspannungen in metallischen Oberflächen

Eigenspannungen sind die Spannungen, die in Bauteilen ohne äußere Kräfte vorliegen. Sie werden durch Gitterverzerrungen, ausgelöst durch Gitterbaufehler, verursacht und können entweder positiven Vorzeichens (Zugeigenspannungen) oder negativen Vorzeichens (Druckeigenspannungen) sein. Baufehler im Metallgitter führen zu einer elastischen Verformung der benachbarten Ebenen und so zu einer messbaren Verformung des Kristallgitters. Durch das Kugelstrahlen werden Versetzungen in hoher Dichte als Gitterbaufehler in das Material eingebracht, welche zu einer erhöhten Festigkeit und zu einer Druckeigenspannungsschicht in der Bauteiloberfläche führen (siehe Abbildung 1). Für die Dauerfestigkeit von Bauteilen ist vor allem die Eigenspannung in der oberflächennahen Schicht entscheidend, da dort üblicherweise die höchste Belastung auf das Material wirkt.

Im Betrieb führen vor allem dynamisch wirkende Zugspannungen zu einem Bauteilversagen. Die angelegten Zugspannungen führen ab einem bauteilabhängigen Betrag zu einer beschleunigten Rissausbreitung und damit endgültig zum Ermüdungsbruch. Je höher die Spannung und Frequenz der Lastspannung, desto eher tritt der Bruch auf. Abbildung 2 zeigt eine zyklische Wechselbelastung eines Bauteiles. Die Druckeigenspannung in der Oberfläche führt zu deutlich reduzierten Spannungen im Material und damit zu einer erhöhten Dauerwechselfestigkeit. Die durch das Kugelstrahlen eingebrachte Druckeigenspannungsschicht wirkt im Betrieb den Lastspannungen entgegen, welche durch äußere Kräfte und Momente auf das Bauteil einwirken. Die Druckeigenspannung fungiert anschaulich gesprochen als Puffer, den die Lastspannungen zunächst überwinden müssen, um über die Nullspannung in den potentiell schädlichen Zugspannungsbereich zu wechseln.

Durch das Kugelstrahlen verbessert sich die Bauteillebensdauer zum Teil erheblich. Je nach Bauteil und Belastungsfall kann eine Verbesserung der Lebensdauer oftmals bis weit über den Faktor zehn erreicht werden. [3]

Eigenspannungen mit Röntgenstrahlung bestimmen

Die im Fertigungsprozess eingebrachte Eigenspannung führt zu einer Verformung des metallischen Kristallgitters. Der so veränderte Abstand der Gitterlinien zueinander kann mithilfe von Röntgenstrahlung definierter Wellenlänge und dem Prinzip der Interferenz gemessen werden. Alle röntgenografischen Verfahren der Eigenspannungsbestimmung machen sich dieses Prinzip zunutze und bestimmen die Abstände im Kristallgitter über die Bragg-Gleichung.

Laut Bragg-Gleichung (Abbildung 3) ergibt sich dann ein Strahlungsmaximum, wenn die Gleichung erfüllt ist. Wenn der Gangunterschied zwischen zwei Strahlen einem Vielfachen der Wellenlänge entspricht, entsteht so ein Signalmaximum. Bei bekannter Wellenlänge Lambda und gemessenen Beugungswinkel Theta kann so der Gitterabstand bestimmt werden.

Um eine Spannung aus der Gitterverformung zu errechnen, reicht es nicht aus, ein einzelnes verzerrtes Gitter zu betrachten, da man nicht Spannungsrichtung und Betrag aus nur einer Gitterorientierung bestimmen kann. Deshalb müssen zusätzliche Messrichtungen herangezogen werden. Metallische Legierungen haben in einem verhältnismäßig kleinen Untersuchungsvolumen eine Vielzahl unterschiedlich orientierter Kristallgitter innerhalb der mikroskopisch sichtbaren Körner, die sich alle unterschiedlich unter der gleichen Eigenspannung dehnen. In der röntgenografischen Eigenspannungsbestimmung wird diese Eigenschaft genutzt, um die Richtung und den Betrag der Eigenspannung möglichst genau zu bestimmen. Solange nur Oberflächen-Eigenspannungen untersucht werden, sind röntgenografische Eigenspannungsbestimmungen im Allgemeinen zerstörungsfrei. Bei Stahl beträgt die Eindring- und damit die Signaltiefe der Röntgenstrahlung ca. 5 μm. Soll jedoch ein Tiefenverlauf der Eigenspannung ermittelt werden, muss die Oberfläche zum Beispiel über Elektropolieren abgetragen werden. Pro Tiefe wird dann eine eigene Messung durchgeführt.

Trifft ein Röntgenstrahl auf eine Metalloberfläche, entsteht aufgrund der Beugung nach der Bragg-Gleichung mit dem Kristallgitter ein Röntgenkegel aus den willkürlich angeordneten Kristallgitterorientierungen. Dieser Röntgenkegel, als zweidimensionale Projektion Debye-Scherrer-Ring genannt, beinhaltet Informationen über die Eigenspannung des untersuchten Materials. Das cos-alpha Verfahren ermittelt aus dem Debye-Scherrer-Ring Verzerrungen unterschiedlich orientierter Kristallgitter, um daraus die Eigenspannung zu bestimmen. Das Signal wird auf einem zweidimensionalen Detektor mit einem einzigen Einfallwinkel aufgenommen und die Verschiebung und Verzerrung des Rings analysiert.

Im Gegensatz dazu wird bei dem herkömmlichen sin²psi Verfahren die Gitterverspannung aus unterschiedlichen Einstrahlwinkeln ermittelt. Da sich die Strahlenquelle zum Bauteil während der Messung bewegen muss, haben die entsprechenden Röntgendiffraktometer einen grundsätzlich komplizierteren Aufbau, sind empfindlicher für Dejustierungen des Messabstandes und benötigen eine längere Messzeit.

Mit dem μ-X360s von Pulstec aus Japan wird ein kommerziell erwerbliches Röntgendiffraktometer auf Basis des cos-alpha Verfahrens angeboten und durch die sentenso GmbH in Europa vertrieben. Das einfache optische System reduziert die Strahlungsenergie erheblich und ermöglicht ein leichtes, kleines, tragbares und sehr schnelles Röntgendiffraktometer, das damit auch erheblich einfacher für Vor-Ort- und Feldmessungen einsetzbar ist. Typische Einzelmessungen können mit dem μ-X360s in unter einer Minute abgeschlossen werden.

Kugelstrahlprozesse produktionsnah kontrollieren

Der Betrag und die Tiefe der Eigenspannungsschicht im Material hängen von den Prozessparametern des Kugelstrahlens ab. Während bespielweise der Strahldruck relativ einfach manipulierbar ist, sind andere Prozessparameter wie die Strahlmitteleigenschaften nur über den Austausch des gesamten Strahlmittels in der Strahlanlage zu variieren. Bestehende Kugelstrahlprozesse können, durch Verschleiß an der Anlage, von den vorgegebenen Qualitätsparametern abweichen. Verschleiß kann beispielsweise an der Düse, oder am Strahlschlauch auftreten, aber auch das Strahlmittel altert mit der Nutzungszeit und bricht. Die wesentlichen Prozessparameter sind:

• Strahlmitteleigenschaften (Kornform, Werkstoff und Dichte, Härte, Durchmesser)
• Korngeschwindigkeit
• Aufprallwinkel
• Beaufschlagung (Treffer je Oberflächenelement)

Diese können alle durch Verschleiß und Alterung beeinflusst werden und werden ebenfalls von einer Vielzahl Maschinenparametern wie dem Strahldruck beeinflusst. In einem laufenden Produktionsprozess sind nur bestimmte Änderungen der Maschinenparameter zulässig. So kann der Strahldruck und der Strahlmitteldurchsatz üblicherweise in festgelegten Grenzen variiert werden, um die Strahlintensität im Sollbereich zu halten. Ein Wechsel des Strahlmittels zu einem anderen Typ ist üblicherweise nicht zulässig ohne aufwendige Testreihen.

Die endgültig eingestellten Eigenspannungen eines Bauteils hängen auch von vielen anderen Prozessen der Fertigungskette ab. So wird die Eigenspannung im Fertigteil zum Beispiel auch durch die Wärmebehandlung beeinflusst, welche vor dem Kugelstrahlen durchgeführt wird. Weicht einer der Prozesse vor oder nach dem Kugelstrahlen ab, kann das zu sehr unterschiedlichen Endergebnissen führen und damit zu veränderten Dauerfestigkeitseigenschaften der Fertigteile. Es reicht demnach nicht aus, die Kugelstrahlparameter zu kontrollieren, um eine Aussage über die Dauerfestigkeit des fertigen Bauteils machen zu können. Diese hängt im Wesentlichen mit der Bauteilgeometrie, der Oberflächenqualität und vor allem dem Eigenspannungszustand zusammen, weshalb mit der Bestimmung des Eigenspannungszustandes gute Voraussagen über die Dauerfestigkeit bekannter Bauteile getroffen werden können.

Um die Spannungen produktionsnah bestimmen zu können wird ein Messgerät benötigt, das in möglichst kurzer Zeit Aufschluss über den Eigenspannungszustand der Bauteiloberfläche geben kann. Das ist zum einen nötig aufgrund der kurzen Taktzeiten automatisierter Fertigungsprozesse und zum anderen, um zeitnahe Fehler in der Produktion erkennen und beheben zu können. Ein nach dem cos-alpha Verfahren arbeitendes Röntgendiffraktometer wie das μ-X360s von Pulstec hat die Vorteile, dass es produktionsnah eingesetzt werden kann, aufgrund der Nutzung des kompletten Debye-Scherrer Ringes zur Eigenspannungsbestimmung schnelle Ergebnisse liefert und einfach einzurichten ist. Die Ergebnisse dieser Messungen können dann in einem weiteren Optimierungsschritt dazu genutzt werden den Prozess noch weiter zu verbessern.

Produktionskontrolle von kugelgestrahlten Sägeblättern

Sägebänder sind dynamisch hochbelastete Werkzeuge, welche nicht nur durch den Zahneingriff beim Sägen, sondern auch durch die Umlenkung über eine Rolle wechselnd belastet werden. Durch die Beanspruchung im Betrieb ergeben sich unterschiedliche Ausfallgründe. Die Bänder brechen üblicherweise entweder quer zur Laufrichtung durch die Biegebelastung beim Umlenken oder werden unbrauchbar durch ein Versagen einer der Zähne. Strahlt man die entsprechenden Positionen kann die Lebensdauer eines Sägebands erheblich verbessert werden. Die Eigenspannung sollte an mehreren Positionen überprüft werden um sicherzustellen, dass sich nach dem Kugelstrahlen eine einheitliche Druckeigenspannungsschicht eingestellt hat.

Mit dem μ-X360s können, aufgrund der kurzen Messzeit, die eingebrachten Druckeigenspannungen an der Oberfläche zerstörungsfrei an zahlreichen Positionen bestimmt werden. Die niedrige Strahlenbelastung prädestiniert das μ-X360s zudem zur Messung der Spannungen in der Produktion. Dazu wird das Sägeblatt durch den Strahlenschutzschrank geführt und mithilfe eines Sechsachsroboters vermessen (siehe Abbildung 5).

Die Eigenspannung kann so direkt an der Strahlmaschine kontrolliert werden, so dass unmittelbar nach Auftreten eines Fehlers auf diesen reagiert werden kann. Zusätzlich können so Daten für zukünftige Optimierungen des Strahlprozesses gesammelt und Aussagen über Produktionsschwankungen getroffen werden.

Ausblick

Der Trend zu materialsparenden Konstruktionen zur Reduzierung des Energieverbrauchs in der Fahrzeug- sowie der Luft- und Raumfahrtindustrie hält unvermindert an. Neue Bauteile müssen immer leichter und trotzdem leistungsfähiger werden. Der Kugelstrahlprozess hat an dieser Entwicklung einen entscheidenden Anteil. Richtig durchgeführt können Materialstärken verringert und Wechselfestigkeiten erhöht werden. Je näher man den Belastungsgrenzen der Werkstoffe kommt, desto kritischer wird es, den Eigenspannungszustand der Bauteile zu kennen und gegebenenfalls zu optimieren. Auch im Hinblick auf Energieeinsparung können optimierte Kugelstrahlprozesse interessant sein, da sich der beste Prozess keineswegs durch die höchste Strahlintensität bei mehrfacher Bedeckung auszeichnet, sondern durch die richtige Druckeigenspannung an der richtigen Stelle im Bauteil.

Quellen

[1] Guy, Albert G., Essentials of materials science, New York, McGraw-Hill, Seite 153

[2] Callister, William D., Rethwisch, David G., Materials science and engineering. An introduction, 8th ed, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons 2012

[3] Leistner, Julia, Shot Peening Gives A Longer Service Life In: JOT International Surface Technology Heft 3, Springer Vieweg, 2016, Seiten 56–57

sentenso GmbH

www.sentenso.de

weitere Informationen