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Was ist Kugelstrahlen?
Unter Kugelstrahlen versteht man eine besondere Art der Oberflächenbehandlung. Bei dem Verfahren werden Strahlmittel in speziellen Anlagen beschleunigt und zum Aufprall auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Werkstücke, wie zum Beispiel Metallfedern, gelenkt. Das Strahlmittel besteht aus runden oder gerundeten Körnern, denen der Vorgang seinen Namen verdankt.
Kugelstrahlen von Metallfedern
In der Regel tritt die höchste Beanspruchung von Metallfedern an der Werkstoffoberfläche auf. Kleine Fehler wie Kratzer, Haarrisse, Entkohlungen oder Riefen sind da keine Seltenheit. Diese können sich jedoch negativ auf die Leistung und die Lebensdauer der Federn auswirken. Mit der Verfestigung der Randschichten wird deshalb versucht, Fehler zu minimieren und die Dauerfestigkeit der Federn zu steigern. Übliche Verfahren im Maschinenbau sind zum Beispiel Oberflächen-Festwalzen, Randschichthärtung oder Randschichtnitrieren. Weil Metallfedern eine besondere und komplizierte Geometrie aufweisen, hat sich für diese Werkstücke im Lauf der Zeit jedoch nur das Kugelstrahl-Verfahren durchgesetzt. Die Dauerfestigkeit lässt sich steigern, indem in den Randschichten des Federwerkstoffs Druckspannungen erzeugt, die dünnen Randschichten kaltverfestigt und die Oberflächen geglättet werden. Damit lassen sich Oberflächenfehler erheblich reduzieren.
Wie funktioniert die Behandlung?
Ziel des Kugelstrahlens ist es, durch Umformung und damit durch Verfestigung der Oberfläche Druckeigenspannungen aufzubauen. Mit dem Verfahren lässt sich somit die Dauerhaltbarkeit von Metallfedern deutlich verbessern. Dazu werden Stahlkugeln oder gerundetes Drahtkorn durch Pressluft oder Schleuderräder mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Federn geschossen. Durch den Vorgang wird das Oberflächenvolumen des Werkstoffs vergrößert und eine Druckeigenspannung erzeugt. Die Folge ist eine Verdichtung des Werkstoffs und damit die Verfestigung der Oberfläche, die durch die Behandlung besonders korrosionsbeständig wird und keine Risse zulässt. Der Verdichtungsgrad ist abhängig von den Strahlenbedingungen wie der Abwurfgeschwindigkeit, Behandlungsdauer oder dem Strahlwinkel sowie Korndurchmesser, -festigkeit und -zustand des Strahlmittels. Eine wichtige Rolle für die Verdichtung spielt außerdem die Härte des Federwerkstoffs. Aufgrund des hohen Korrosionsschutzes ist das Kugelstrahlen zudem eine gute Vorbereitung für nachfolgende Behandlungen wie die Oberflächenveredelung.
Vergleich von kugelgestrahlten und ungestrahlten Federn
Die Abbildung zeigt ein Dauerfestigkeitsdiagramm – oder auch Wöhlerkurven genannt – für Druckfedern aus patentiert gezogenem (blaue Kurven 1) und vergütetem Ventilfederdraht (orangene Kurven 2). Die Steigerung der Zeit- und Dauerfestigkeit kugelgestrahlter (Kurve 1k und 2k) gegenüber ungestrahlter (Kurve 1 und 2) Federn ist deutlich erkennbar. Beim Kugelstrahlen entstehen umvermeidbare Spannungsspitzen in Oberflächennähe. Diese führen gegenüber ungestrahlten Federn zu einer größeren Relaxation. Sie kann durch ein Entspannen nach dem Strahlen bei einer Temperatur von 200 bis 240 °C vermieden werden. Um die Steigerung der Dauerfestigkeit langfristig zu erhalten, gilt es, werkstoffabhängige Temperaturgrenzen einzuhalten.
Häufige Fehler beim Kugelstrahlen
Zu den häufigsten Fehlern gehört das Strahlen mit scharfkantigen oder gebrochenen Körnern. Das kann zur Folge haben, dass die Dauerfestigkeit durch die Kerbwirkung unter den Wert von ungestrahlten Federn absinkt. Vermieden werden sollte zudem Überstrahlen. Bei zu langer Strahldauer oder zu hoher Abwurfgeschwindigkeit sind sowohl die Entstehung schuppenartiger Werkstofftrennungen als auch Spannungsrisse möglich. Die Behandlungsdauer der Metallfeder sollte deshalb so kurz gewählt werden, dass der Eigenspannungsaufbau die gewünschte Steigerung der Dauerfestigkeit erbringt.
Weitere wichtige Informationen
Unter den Links finden Sie Informationen zu weiteren Oberflächenbehandlungen für Metallfedern. Eine Dauerfestigkeitsberechnung für eine Druckfeder mit verfestigter Oberfläche durch Kugelstrahlen können Sie mit dem Gutekunst-Federnberechnungsprogramm WinFSB durchführen.
Alternativ können Sie Ihre Federdaten auch direkt an uns schicken: verkauf@gutekunst-co.com.
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