Mechanische Randschichtverfestigung

© Fraunhofer IWM

Schematische Darstellung der mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren

© Fraunhofer IWM

Erzeugung von Verfestigungen und Druckeigenspannungen durch Kugelstrahlen

Mechanische Randschichtverfestigung

Für die Lebensdauer von metallischen Bauteilen und Strukturen ist die Randschichtzone von ausschlaggebender Bedeutung. In allen Industriebereichen; Automobil- und Fahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Stahl- und Brückenbau, Antriebstechnik und Getriebebau, Verbrennungsmotoren, Dampf- und Gasturbinen, Kompressoren- und Pumpenherstellung, Werkzeug- und Formenbau und Medizintechnik, wo Komponenten hohen Beanspruchungen ausgesetzt werden, spielt der randschichtnahe Werkstoffzustand eine elementare Rolle. Dieser Sachverhalt beruht im Wesentlichen darauf, dass die betriebsbedingten Schädigungsprozesse in Bauteilen, wie z.B. Ermüdung und Korrosion, an der Oberfläche initiiert werden und je nach Werkstoffzustand und Qualität der Randschichtzone der Schädigungsprozess hierdurch verzögert oder beschleunigt werden kann, was einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtlebensdauer hat. Eine Vielzahl von mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren (Abbildung 1) ist in den letzten Jahrzehnten entwickelt worden. Bei diesen Verfahren werden mit geeigneten Mitteln wie z.B. Kugeln, Hämmern, Rollen, Wasserstrahl, Laser, die oberflächennahen Schichten von metallischen Komponenten elastisch-plastisch verformt. Durch diese Deformation werden in einer dünnen Oberflächenschicht Verfestigungen und Druckeigenspannungen induziert. Diese vorteilhafte dünne Schicht dient dem Zweck, den Widerstand des gesamten Bauteils gegen Ermüdung entscheidend zu erhöhen.

Hierzu entwickeln wir Werkstoffmodelle und Simulationstools, mit denen Hilfe das Werkstoffverhalten und die Bauteillebensdauer durch eine maßgeschneiderte Oberflächenbehandlung optimiert werden kann. Durch die Kombination von Experiment, Werkstoff- und Prozesssimulation leiten wir die quantitativen Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Bauteilgeometrie und verfahrensbedingten Einflussfaktoren von mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren im Hinblick auf das Eigenspannungsfeld und die Randschichtverfestigung ab. Zudem ermitteln wir den Gewinn an Lebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile in Abhängigkeit der Prozessparameter.

© Fraunhofer IWM

Kugelstrahlen

© Fraunhofer IWM

Festwalzen

© Fraunhofer IWM

Hochfrequenzhämmern