Kugelstrahlen vs. Festwalzen

Wenn Bauteile unter dynamischer Belastung zu früh versagen, liegt das oft an fehlenden Druckeigenspannungen in der Randzone. Kugelstrahlen gilt als bewährter Prozess, um genau das zu ändern – doch wie funktioniert es, wo liegen die Grenzen und welche Alternativen wie das Festwalzen bieten noch mehr Potenzial?“

Das gezielte Einstellen von Oberflächen- und Randzoneneigenschaften wird immer häufiger eingesetzt. Nicht selten werden allerdings geeignete Nachbehandlungsverfahren eher zufällig und als Problemlöser eingesetzt. In der Gruppe der mechanischen Oberflächenbearbeitung wird mit unterschiedlichen Wirkmechanismen die Oberfläche eines Bauteils mechanisch verfestigt. Es kommen also keine zusätzlichen Wärmebehandlungen oder Beschichtungsmethoden zum Einsatz [1]. 

Zu den am häufigsten genutzten Prozessen gehören: 

• Kugelstrahlen
• Glattwalzen/Rollieren
• Diamantglätten
• Festwalzen
• Mechanisches Oberflächenhämmern

Bei all diesen Prozessen wird ein „Werkzeug“ auf die Oberfläche des Bauteils gepresst. Dabei wirken so hohe lokale mechanische Spannungen, dass sich die Oberfläche lokal plastisch verformt.  Das Ergebnis ist immer eine Veränderung der Oberflächentopografie, eine Kaltverfestigung der Randzone und das Einbringen von starken Druckeigenspannungen. 

Das Kugelstrahlen ist in dieser Reihe sozusagen das geometrisch unbestimmte Verfahren, in Analogie zum Schleifen in der Zerspanung. Bei diesem Prozess wird das Strahlmedium, auch Strahlmittel genannt, beschleunigt und auf die Oberfläche des Bauteils geschossen. Dabei schlagen die Strahlkörner undefiniert auf die Oberfläche und sorgen dabei für die plastische Verformung und die gewünschte Verfestigung des Werkstoffs [2].  

Dabei findet das Kugelstrahlen immer in speziellen Kugelstrahlanlagen statt. Diese Anlagen sind vielfach sehr groß, erfordern ein hohes Maß an Wartungsarbeiten und Bedienerwissen und stehen daher vielfach bei Spezialanbietern, bei denen der Prozess als Dienstleistung eingekauft werden kann. 

Das Strahlmedium wird dabei zum Beispiel über ein Schleuderrad beschleunigt oder durch einen Luftstrahl. In beiden Fällen kann die Geschwindigkeit beeinflusst werden. Dies hat bereits einen großen Einfluss auf das Prozessergebnis. Eine höhere Auftreffgeschwindigkeit bedeutet auch mehr Impuls durch das einzelne Korn und damit mehr Verformung.

Neben der Geschwindigkeit ist natürlich das Strahlmedium auch ein entscheidender Parameter. Dies kann aus unterschiedlichen Materialien sein (Stahl, Stahl gehärtet, Glas oder Keramik) und es kann unterschiedlich geformt sein. Der Begriff Kugelstrahlen impliziert, dass es sich bei den Strahlkörnern um Kugeln handelt. Das ist aber nicht zwingend der Fall. Je nach Qualität des Mediums kann zwischen Drahtkorn und Kugeln unterschieden werden. 

Beim Drahtkorn wird ein Draht mit einer definierten Dicke geschnitten und nicht weiterbearbeitet. Diese Körner sind eher scharfkantig und haben wenig mit einer Kugel zu tun. Wird das Korn weiterverarbeitet kann daraus eine nahezu perfekte Kugel entstehen. Die Form des Mediums hat natürlich ebenfalls einen Einfluss auf das Ergebnis. Genauso natürlich, wie die Dicke des Korns. Ist das Strahlmedium 2 mm dick oder nur 0,2 mm, ist natürlich auch die Umformenergie unterschiedlich. 

Der dritte wesentliche Parameter ist die Abdeckung. Wird ein Bereich sehr langsam unter dem Medium hindurchbewegt, dann treffen natürlich sehr viele Körner auf die Oberfläche auf. Ebenso, wenn die Oberfläche mehrfach durch den Strahl geführt wird. 

Das Ergebnis des Prozesses wird dann in der sogenannten Almen Intensität gemessen. Hierbei wird ein definiertes Blech, der Almen Streifen, mit den Parametern gestrahlt. Durch die Änderung der Eigenspannung, verformt sich der Blechstreifen, was dann mit der Größe „Almen Intensität“ bewertet werden kann. 

Das Prozessergebnis kann also immer nur sekundär nachgewiesen werden. Der Almen Streifen ist ein Hilfsmittel, es kann allerdings nie der direkte Prozess am Realbauteil überprüft werden, da eine nachträgliche Eigenspannungsmessung nicht zerstörungsfrei möglich ist. 

Die plastische Verformung der Oberfläche sorgt für drei gewünschte Effekte: 

1. Einbringen von Druckeigenspannungen
   Die plastischen Verformungen in der Randzone sorgen dafür, dass sich Druckeigenspannungen in der Randzone bilden. Die Höhe der Druckeigenspannung und auch die Tiefe kann durch die Abdeckung, die Strahlgeschwindigkeit und auch die Größe des Strahlmediums beeinflusst werden.
2. Einbringen einer Kaltverfestigung
   Die plastische Verformungen in der Randzone erzeugen außerdem eine Veränderung des Gefüges. Es kommt zu einer Erhöhung der Versetzungsdichte, wodurch die Härte und Festigkeit in der Randzone zunimmt.
3. Steigerung der Bauteillebensdauer
   Beide Eigenschaftsveränderungen sorgen dafür, dass die Lebensdauer und dynamischer Beanspruchung gesteigert wird. Ein kugelgestrahltes Bauteil kann demnach eine höhere Belastung über einen längeren Zeitraum ertragen, die Dauerfestigkeit steigt (Bild 3). 

Der am häufigsten genutzte Alternativprozess zum Kugelstrahlen ist das Festwalzen, auch als Rollieren bezeichnet. Dabei wird eine Walzrolle oder Walzkugel mit einer definierten Kraft in die Oberfläche gepresst und erzeugt somit die notwendigen plastischen Verformungen. 

Im Gegensatz zum Kugelstrahlen können Rollierwerkzeuge direkt in die spanenden Bearbeitungsmaschinen (Drehmaschine, Fräsmaschine, Bearbeitungszentrum) integriert werden. Die notwendige Prozesskraft ist so gering, dass sie problemlos von einer Werkzeugmaschine aufgebracht werden kann.

Die kontinuierliche Bewegung des Walzkörpers ermöglicht eine sehr definierte Bearbeitung und sorgt nebenbei noch für eine deutliche Reduktion der Oberflächenrauheit (Verbesserung von > 95% möglich). 

Im Vergleich zum Kugelstrahlen ist die Walzrolle beim Festwalzen in der Regel um ein Vielfaches größer als das Strahlmedium. Aus diesem Grund ist die erzielbare Beeinflussung der Randzone in den meisten Fällen auch größer. Der Wert der maximalen Druckeigenspannung ist zwar vergleichbar, aber die Tiefenwirkung ist beim Festwalzen durch die Kontaktgeometrie einfach höher. 

Das führt dann auch dazu, dass, im Vergleich zum Kugelstrahlen die Dauerfestigkeit unter den sonst gleichen Voraussetzungen für den 20MnCr5 um weitere 80% höher liegt, wie von Lechleiter et al. gezeigt wurde [3]. Bild 4 zeigt sowohl für das Kugelstrahlen (vgl. Bild 3) also auch für das Festwalzen die 50%-Wöhlerlinie für einen 20MnCr5 Werkstoff unter Umlaufbiegebelastung.

Quellen: