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Oberflächenfinish Chemische Abtragverfahren helfen gegen Ermüdungsbrüche

| Autor / Redakteur: Josef Kraus / Josef-Martin Kraus

Werden nach der Bauteilbearbeitung die Randschichten mit ihren Risskeimen chemisch entfernt, erhöht sich die Dauerfestigkeit dynamisch belasteter Teile enorm. Die Gefahr von Ermüdungsbrüchen ist reduziert. Der chemische Abtrag erfolgt kontrolliert und belastungsfrei.

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Bild 1: Risskeime im Oberflächenbereich von Federn (links) führen häufig zu Ermüdungsbrüchen. Wird die Oberflächenschicht entfernt, ist die Bruchgefahr reduziert.
Bild 1: Risskeime im Oberflächenbereich von Federn (links) führen häufig zu Ermüdungsbrüchen. Wird die Oberflächenschicht entfernt, ist die Bruchgefahr reduziert.
(Bild: Poligrat)

Ausgangspunkt von Ermüdungsbrüchen sind in mehr als vier von fünf Fällen Risskeime im Oberflächenbereich. Werden die Oberflächenschichten abgetragen, sinkt die Gefahr, dass es bei dynamischer Bauteilbelastung zu einem unerwarteten Risswachstum kommt, bis der Restquerschnitt bricht. Die Poligrat GmbH, München, setzt dazu auf chemische Verfahren. Bei dynamisch stark beanspruchten Metallteilen lässt sich damit eine Erhöhung der Dauerfestigkeit um das Vier- bis Zehnfache erreichen. Teilweise sei sogar eine Steigerung um den Faktor 30 möglich.

Oberflächennahe Schichten 
enthalten Risskeime

Zu den typischen Verfahrensanwendungen gehören mechanische Federn, elektrische Schaltkontakte, Hydraulikkomponenten unter Druckschwellbelastung sowie Turbinen- und Motorteile. Sie benötigen eine hohe Dauerfestigkeit – eine hohe Festigkeit gegen Ermüdungsbrüche. Großen Einfluss auf die Dauerfestigkeit haben die Gestalt und die Struktur der Bauteilrandschichten. Diese oberflächennahen Werkstoffschichten sind selten frei von Risskeimen, die entweder aus der Bearbeitung heraus resultieren oder die Folge der Feingestaltung sind:

  • Bei der Bauteilbearbeitung werden oberflächennahe Werkstoffschichten in der Regel punktuell einer hohen mechanischen, thermischen und chemischen Belastung ausgesetzt. Die Folge ist das Entstehen von Risskeimen in den Randschichten, deren Dicken im Mikrometerbereich liegen. Diese Beilbyschichten enthalten oftmals lokale Zugspannungen, eingebettete Fremdkörper und Oxide, Grobkornbildung und lokale Ausscheidungen an Korngrenzen, die Dauer- oder Ermüdungsbrüche auslösen können. Sie unterscheiden sich deshalb deutlich vom unbelasteten Grundwerkstoff hinsichtlich der Zusammensetzung, der Gefügestruktur und der mechanischen Eigenspannungen.
  • Beim mechanischen Oberflächenfinish kann es zur Grat- und Rissbildung an den Bauteilkanten kommen. Es können Oberflächenprofile mit scharfkantigen Strukturen entstehen oder vertiefte Korngrenzen, die ins Bauteilinnere gerichtet sind. Die Folge ist eine Kerbwirkung am Profilgrund. Sie führt zu einer lokalen Steigerung der Zugspannung mit der Gefahr, dass es dort zum Anriss und letztendlich zum Dauerbruch kommt.

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