Mechanische Oberflächenbearbeitung durch Mikrostrahlen*
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R. Weingärtner
Kurzfassung
Vielfältige Verfahren der mechanischen Oberflächenbehandlung erlauben Änderungen der Randschichteigenschaften, die zur Steigerung der Wechselfestigkeit genutzt werden können. Diese Verfahren beruhen auf einer plastischen Verformung der Oberfläche und führen optimalerweise zu Druckeigenspannungen nahe der Oberfläche und einer Verfestigung durch Änderungen des mikrostrukturellen Zustandes, wie der Korngröße oder der Versetzungsdichte. Damit ist auch stets eine Änderung der Topographie verbunden. Häufig wird das Kugelstrahlen verwendet, welches auch die Bearbeitung komplexerer Geometrien erlaubt. Eine Weiterentwicklung davon stellt das Mikrostrahlen dar, bei dem Strahlmittel mit Durchmessern unter 100 μm eingesetzt wird. Neue Anwendungsmöglichkeiten bietet das Verfahren bei der Bearbeitung dünnwandiger Bauteile, die durch die geringeren Strahlintensitäten ermöglicht wird, oder auch bei schwer zugänglichen Bauteilbereichen infolge kleinerer Geometrien des Strahlsystems. Die Charakterisierung der Randschichteigenschaften erfolgt durch Röntgendiffraktometrie, Konfokal- und Rasterelektronenmikroskopie und Aufnahmen an Querschnitten, die mittels fokussierten Ionenstrahls hergestellt wurden. Die Untersuchungen zeigen, dass sich die resultierenden Oberflächeneigenschaften durch Druckeigenspannungen, eine Verfestigung durch Erzeugung nanokristalliner Randschichten sowie eine gegenüber dem Kugelstrahlen vergleichsweise gute Topographie auszeichnen. Die Eindringtiefe des Verfahrens ist hierbei deutlich stärker auf oberflächennahe Bereiche begrenzt als etwa beim Kugelstrahlen. Wechselbiegeversuche zeigen, dass damit eine deutliche Steigerung der Wechselfestigkeit erzielt werden kann. Die Steigerungen der Wechselfestigkeit beim Kugelstrahlen werden dabei für die untersuchten Probengeometrien nach Mikrostrahlen deutlich übertroffen, sodass sich das hohe Potenzial des Verfahrens zur mechanischen Oberflächenbehandlung zeigt.
Abstract
Diverse processes of mechanical surface treatment are capable to change surface layer characteristics and increase the fatigue limit. These methods are based on the plastic deformation of the surface layer and, ideally, result in compressive residual stresses near the surface and cold hardening by changes in the microstructure, like the grain size or the dislocation density. Combined with these changes, also changes in topography occur. Often shot peening is applied, which enables even the treatment of complex geometries of parts. An enhancement of shot peening is achieved by micro peening, which uses shot particles with a diameter smaller than 100 μm. This offers new application opportunities, for instance treatment of parts of low wall thickness as a consequence of low peening intensities, as well as parts difficult to access because of smaller peening systems. The investigation of surface layer characteristics is carried out by X-ray diffractometry, confocal and scanning electron microscopy and preparation of cross sections by focussed ion beam technology. The results show that the achieved surface layers are characterised by compressive residual stresses, hardening by generation of grains in the nanocrystalline range and a high quality of topography compared to conventional shot peening. The penetration depth is restricted closer to the surface as in the case of shot peening. Bending fatigue tests show that a high increase of fatigue strength is achievable. The increase of fatigue limit in shot peening is exceeded clearly for the investigated geometry of the samples. This shows the high capability of micro peening as mechanical surface treatment process.
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