Dezember 11, 2024

Shotpeening ist eine Schlüsseltechnologie der Oberflächenbehandlung in der modernen Fertigung. Die Wahl des richtigen Verfestigungsmittels ist entscheidend für die Wirkung und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. In diesem Artikel werden die Vor- und Nachteile von Glasperlen und keramischen Strahlmitteln verglichen. Dabei wird deutlich, dass das keramische Kugelstrahlen allmählich die Glasperlen als beliebteste Wahl bei hohen Leistungs- und Umweltschutzanforderungen abgelöst hat.

Die Kernfunktion des Kugelstrahlens besteht darin, durch den Hochgeschwindigkeitsaufprall von Mediumpartikeln eine Druckspannungsschicht auf der Oberfläche des Materials zu bilden und dadurch die Leistungsfähigkeit des Materials zu verbessern.

Nach der Erörterung der spezifischen Funktionen des Kugelstrahlens wird die Wahl des richtigen Mediums zu einem entscheidenden Faktor für den technischen Effekt.

Glasperlen und keramisches Kugelstrahlen sind zwei gängige Medien, deren jeweilige physikalische Eigenschaften und Leistungen ihre Anwendungsbereiche und Prozesseffekte bestimmen.

Als nächstes werden wir uns auf die Analyse der Eigenschaften und der Anwendungsleistung der beiden konzentrieren, um die Grundlage für einen funktionalen Vergleich zu schaffen.

Historischer Hintergrund:

Die Geschichte der Verwendung von Glasperlen als gängiges Mittel zum Sandstrahlen und Polieren lässt sich bis ins frühe 20. Jahrhunderts zurückverfolgt werden kann. Zunächst konzentrierte sich die Anwendung von Glasperlen vor allem auf die Reinigung von Metalloberflächen und die Oberflächenbearbeitung.

Danach wurden Glasperlen zu einem unersetzlichen Strahlmittel bei der Bearbeitung von Präzisionsgussteilen, Nichteisen-Metallgeräten und einigen Teilen, die eine feine Oberflächenbehandlung erfordern, wegen ihrer Vorteile wie kleine Partikelgröße, kleine Kontaktfläche mit den Teilen und gleichmäßigerer Spannungsabbau.

Physikalische Eigenschaften:

Ein Partikel aus hochreinem Quarzsand oder recyceltem Glas.

Meist durchsichtig oder durchscheinend, gleichmäßig kugelförmig, mit glatter Oberfläche, geringer Dichte und einer Härte von normalerweise 5-7 Mohs.

Es kann eine geringe Schlagkraft aufweisen und eignet sich eher für die Oberflächenbearbeitung als für die Tiefenverfestigung.

Historischer Hintergrund:

Physikalische Eigenschaften:
Kugelstrahlmittel, die durch Hochtemperaturschmelzen von keramischen Rohstoffen, Abkühlen und Mahlen hergestellt werden.

Es handelt sich um eine weiße Kugel mit gleichmäßiger, runder Form, in der Regel mit einer Mohshärte von 8-9 und einer hohen Dichte.

Es hat eine gute Verschleißfestigkeit und eignet sich für die Anforderungen an eine hochfeste Oberflächenbehandlung.

Die chemischen Eigenschaften entnehmen Sie bitte der nachstehenden Tabelle:

Nachdem wir die grundlegenden Informationen über Glasperlen und keramische Medien verstanden haben, werden wir die Funktionen und Anwendungseffekte dieser beiden Medien vergleichen, ihre Vor- und Nachteile beim Kugelstrahlen analysieren und den Kunden helfen, eine wissenschaftlichere Auswahl zu treffen.

Luft- und Raumfahrt

Wird für Flugzeugstrukturteile und Triebwerkskomponenten wie Turbinenschaufeln und Rumpfhäute verwendet.

Automobilbranche

Wird verwendet, um die Ermüdungslebensdauer von Schlüsselkomponenten wie Federn, Zahnrädern und Antriebswellen zu erhöhen.

Energiewirtschaft (Windkraft und Kernkraft)

Die Hauptwellen- und Blattanschlussteile von Windkraftanlagen müssen kugelgestrahlt werden, um langfristigen Hochfrequenzbelastungen standzuhalten; auch die Druckbehälter und Turbinenkomponenten von Kernkraftwerken sind auf das Kugelstrahlen angewiesen, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

Herstellung von Formen

Das Verfestigungsstrahlen der Formoberfläche kann den Verschleiß verlangsamen und die Lebensdauer erhöhen.

Medizinische Geräte

Wird zur Verstärkung der Oberfläche von Implantaten (z. B. Hüftprothesen, Schrauben usw.) verwendet, um die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen.

Obwohl die Funktionen und Anwendungsbereiche des Kugelstrahlens sehr breit gefächert sind, sehen sich die Kunden in der Praxis oft mit einer Reihe von Problemen konfrontiert, die für die Wahl des Strahlmittels ausschlaggebend sind.

Als Nächstes werden wir die allgemeinen Probleme und Bedürfnisse der Kunden beim Kugelstrahlverfahren näher analysieren.

Die Kunden machen sich im Allgemeinen Sorgen darüber, ob das Strahlmittel während des Einsatzes weiterhin eine stabile oberflächenverfestigende Wirkung erzielen kann. Dies schließt ein:

• Konsistenz der Verarbeitung: Ob Form und Größe der Medienpartikel gleichmäßig sind, wirkt sich direkt auf die Gleichmäßigkeit der Oberflächenverfestigungsschicht aus. Eine ungleichmäßige Spannungsverteilung während der Verarbeitung kann zu einer Verschlechterung der Bauteilleistung oder zum Versagen führen.
• Langlebigkeit und Stabilität: Bei intensiver Nutzung sind die Verschleißfestigkeit, die Bruchrate und die Rückhalteleistung der Medien zuverlässig, was mit der Wiederholbarkeit der Oberflächenqualität zusammenhängt.

Werkstücke aus verschiedenen Materialien (wie Aluminiumlegierungen, hochfester Stahl, Edelstahl und Titanlegierungen) stellen unterschiedliche Anforderungen an die Härte, die Dichte und den Elastizitätsmodul des Strahlmittels. Die Kunden müssen die folgenden Fragen klären:

• ob die Oberfläche von flexiblen Materialien (wie Aluminium und Magnesium) durch zu harte oder zu dichte Medien beschädigt wird.
• Ob hochfeste Materialien (wie Titanlegierungen) höhere Härtegrade benötigen, um eine ausreichende Oberflächendruckspannung zu erreichen.

Die Wahl der Strahlmittel durch die Kunden wird häufig durch Effizienz und Kosten eingeschränkt, was sich insbesondere in der Qualität der Strahlmittel niederschlägt:

• Medienleben: Haben die Medien eine lange Lebensdauer, so dass sie seltener ausgetauscht werden müssen und weniger Ausfallzeiten entstehen?
• Kostenkontrolle: Sind die anfänglichen Anschaffungskosten und die langfristigen Nutzungskosten kontrollierbar, insbesondere für große Produktionsunternehmen?

Die Bedürfnisse von Industriekunden, die kugelgestrahlt werden, können sehr spezifisch sein:

• Verlängerung der Ermüdungslebensdauer: Die Kunden möchten die Ermüdungslebensdauer von Teilen deutlich verbessern, befürchten aber, dass das Kugelstrahlen nicht ausreicht, um den erwarteten Effekt zu erzielen.
• Anforderungen an die Oberflächenrauhigkeit: Einige Industriezweige (z. B. Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik) stellen strenge Anforderungen an die Glätte der Oberfläche nach dem Verfestigungsstrahlen, und jede übermäßige Rauheit kann die nachfolgenden Bearbeitungskosten erhöhen.
• Verbesserte Korrosionsbeständigkeit: Vor allem in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Energieindustrie müssen Teile in rauen Umgebungen korrosionsbeständig sein. Ob die oberflächliche Druckspannungsschicht des Kugelstrahlens die Rissausbreitung wirksam verhindern kann.

Da die Anforderungen an den Umweltschutz immer strenger werden, werden die Kunden auch darauf achten, ob das Strahlmittel die folgenden Probleme aufweist:

• Staubverschmutzung: Bei minderwertigen oder brüchigen Medien kann es zu einer starken Staubentwicklung kommen, die die Betriebsumgebung und die Gesundheit des Personals beeinträchtigt.
• Nachhaltigkeit: Wie sieht es mit der Recyclingfähigkeit der Medien aus und sind die Entsorgungskosten für den Abfall angemessen?

Shotpeening erfordert hochspezialisierte technische Unterstützung, aber die Kunden können mit folgenden Problemen konfrontiert werden

• Kompatibilität der Geräte: Ist die Kugelstrahlanlage für die neuen Medien geeignet, und sind zusätzliche Anpassungen oder Aufrüstungen erforderlich?
• Operative Komplexität: Erfordert der Einsatz des Mediums besondere Prozessbedingungen, einen erhöhten technischen Aufwand oder Ausbildungskosten?
• Anpassungsfähigkeit an neue Materialien: Können neue Bauteilwerkstoffe (z. B. Verbundwerkstoffe) erfolgreich auf die bestehende Kugelstrahltechnik angewendet werden?

Beide Medien haben ein rundes und glattes Aussehen und können gleichmäßig arbeiten.

Die Kristallstruktur des keramischen Kugelstrahlens weist jedoch eine ausgezeichnete Druckfestigkeit und Zähigkeit auf und ist nicht leicht zu zerbrechen, weshalb sie sich besonders für Arbeitsumgebungen mit hoher Intensität und wiederholten Stößen eignet.

Im Gegensatz dazu brechen Glaskugeln bei hoher Intensität oder häufigem Gebrauch leicht und zerkratzen die Oberfläche des Werkstücks, was auch zu einer ungleichmäßigen Dicke der Verfestigungsschicht oder einer instabilen Spannungsverteilung führen kann.

Als ein Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie Turbinenschaufeln aus Titanlegierungen bearbeitete, verwendete es ursprünglich Glasperlen zum Kugelstrahlen. Es wurde festgestellt, dass die Dicke der Verstärkungsschicht am Ende der Schaufel ungleichmäßig war, was zu einer Verringerung der Ermüdungslebensdauer der Schaufel führte. Nach der Umstellung auf keramisches Kugelstrahlen erhöhte sich die Stabilität der Verstärkungsschichtdicke um 15% und die Ermüdungslebensdauer der Schaufel um 20%.

Glaskugeln können bei der Verfestigung von hochfesten Werkstoffen leicht brechen und bei flexiblen Werkstoffen möglicherweise keine ausreichende Oberflächendruckspannung erzeugen. Das keramische Kugelstrahlen eignet sich jedoch für das Kugelstrahlen von flexiblen Werkstoffen (z. B. Aluminiumlegierungen) bis hin zu hochfesten Werkstoffen (z. B. rostfreiem Stahl und Titanlegierungen) und bietet einen großen Planungsspielraum.

Obwohl das keramische Kugelstrahlen eine hohe Härte aufweist, kann es auch weiche Materialien gut bearbeiten. Dies hängt hauptsächlich von der Partikelgröße, der Form und dem angewandten Einspritzdruck ab.

Solange die geeignete Partikelgröße gewählt und die Niederdruckinjektion verwendet wird, kann die Intensität des Aufprallkraftkonzentrationspunktes reduziert werden. Darüber hinaus trägt das kugelförmige Design des keramischen Kugelstrahlens dazu bei, die Aufprallkraft zu zerstreuen, ähnlich wie bei Glasperlen, und kann eine sanftere Oberflächenbehandlung bewirken.

Beim Kugelstrahlen von Aluminiumteilen für Aufhängungssysteme konnte ein Automobilhersteller die Tiefe der Druckspannungsschicht aufgrund der unzureichenden Härte der Glasperlen nicht erreichen. Nach der Umstellung auf keramisches Kugelstrahlen erhöhte sich die Tiefe der Druckspannungsschicht an der Oberfläche um 30%, und auf der Oberfläche der Aluminiumteile erschienen keine Kratzer oder Grübchen.

Erstens hat das keramische Kugelstrahlen eine höhere Härte und kann während des Kugelstrahlens eine größere Druckspannung auf die Oberfläche ausüben, was die Ermüdungsfestigkeit und Haltbarkeit des Werkstücks effektiv verbessert. Zweitens sind die Dichte und Haltbarkeit von keramischen Medien viel höher als bei Glasperlen.

Obwohl die Anschaffungskosten für Keramikkugeln höher sind als die für Glaskugeln, können Keramikkugeln nach mehreren Anwendungszyklen immer noch eine kugelförmige Form behalten und wiederholt verwendet werden, während Glaskugeln eine hohe Bruchrate haben und häufig ersetzt werden müssen, was die Ausfallzeiten und die Kosten für die Beschaffung der Medien erhöht.

Ein Hersteller von Automobilteilen stellte bei der Herstellung von Kurbelwellen auf das Kugelstrahlen mit Keramikkugeln um. Obwohl die Beschaffungskosten um etwa 30% stiegen, wurde das Keramikkugelstrahlen pro Kilogramm drei- bis viermal so oft eingesetzt wie das Glasperlenstrahlen, und die Abfallentsorgungskosten sanken um 40%. Insgesamt sanken die Produktionskosten um 15% und die Verarbeitungseffizienz stieg um 10%.

Es ist bekannt, dass die Zerbrechlichkeit von Glaskugeln zu Ungleichmäßigkeiten beim Kugelstrahlen führt, die Schwachstellen bei der Ausbreitung von Korrosionsrissen bilden, insbesondere in rauen Umgebungen wie der Meerestechnik und der Kernenergieindustrie.

Zerbrochene Fragmente können auch in die Oberfläche eingebettet werden und zu einer potenziellen Korrosionsquelle werden. Keramische Medien haben eine regelmäßige Form und sind zäh und stark. Nach dem Kugelstrahlen kann es eine gleichmäßige Druckspannungsschicht erzeugen, die die Ausbreitung von Korrosionsrissen wirksam verhindert, und ist für Bereiche mit hohen Anforderungen an den Korrosionsschutz besser geeignet.

Im Rahmen eines Wartungsprojekts für ein Kernkraftwerk müssen Hochdruckdampfrohre kugelgestrahlt werden, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Nach der Verwendung von Glasperlen entsprach die Verstärkungswirkung nicht der Norm, und die Ermüdungslebensdauer der Rohre erhöhte sich nicht wesentlich. Nach dem Ersatz des keramischen Kugelstrahlens erhöhte sich die Ermüdungslebensdauer der verstärkten Rohre um 25%, und die Rissfortpflanzungsrate wurde erheblich reduziert.

Beim keramischen Kugelstrahlen entsteht nicht so leicht Staub, und die Arbeitsumgebung ist sauberer, was zur Verringerung der Gesundheitsrisiken für die Arbeitnehmer beiträgt. Glasperlen können leicht zerbrechen, wodurch eine große Menge an winzigem Glasstaub entstehen kann, der die Luftqualität beeinträchtigt und die Kosten für Umweltschutzmaßnahmen erhöht.

Darüber hinaus ist die Wiederverwertbarkeit von keramischen Medien viel höher als die von Glasperlen, sie erreicht in der Regel mehr als 95%, und auch die Menge des entstehenden Abfalls ist geringer, was von den Umweltschutzbestimmungen leichter akzeptiert wird.

Nach dem Ersatz von Glaskugeln konnte ein Anbieter von Spritzanlagen den industriellen Feststoffabfall um etwa 20 Tonnen pro Jahr reduzieren und damit die Entsorgungskosten erheblich senken. Gleichzeitig bringt die hohe Verfügbarkeit des keramischen Kugelstrahlens zusätzliche Punkte bei der Zertifizierung der umweltfreundlichen Produktion und unterstützt die Unternehmen bei der Erschließung der europäischen und amerikanischen Märkte.

Was die Kompatibilität der Anlagen betrifft, so ist das Keramikkugelstrahlen sehr gut mit modernen Kugelstrahlanlagen kompatibel. Die gleichmäßige Form und die stabilen physikalischen Eigenschaften verringern den Bedarf an Geräteanpassungen, während Glaskugeln vor allem leicht brechen, was das Risiko einer Verstopfung der Düse und des Verschleißes der Geräte erhöht.

Das keramische Kugelstrahlen ist auch toleranter gegenüber Prozessparametern wie einem gleichmäßigeren Einspritzdruck und einer gleichmäßigeren Partikelgrößenverteilung, was die Komplexität der Betriebstechnik verringert. Gleichzeitig kann es in einem größeren Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich eingesetzt werden, was den Bedarf an Umgebungskontrolle verringert.

Aufgrund ihrer hohen Härte und regelmäßigen Form kann sie neue Werkstoffe wie Titanlegierungen und Verbundwerkstoffe effizient bearbeiten und erfüllt damit die Anforderungen der Luft- und Raumfahrt- sowie der medizinischen Industrie an eine spezielle Oberflächenverfestigung.

Ein Unternehmen, das Präzisionsformen herstellt, stellte fest, dass der häufige Austausch von Glaskugeln im Kugelstrahlverfahren zu längeren Ausfallzeiten der Anlage führte. Nach dem Ersatz des keramischen Kugelstrahlens konnte die Betriebszeit der Anlage um 25% verlängert und die Stabilität des Prozesses erheblich verbessert werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir die Leistung der beiden Medien in Bezug auf Härte und Verfestigungstiefe, Lebensdauer und Effizienz sowie Umweltverträglichkeit verglichen haben. Es zeigt sich, dass keramische Strahlmittel in diesen Schlüsselbereichen deutliche Vorteile aufweisen. Genau diese Vorteile führen dazu, dass das keramische Kugelstrahlen allmählich die Glaskugeln als Hochleistungs-Strahlmittel ablöst und verschiedenen Industrien höhere wirtschaftliche Vorteile und nachhaltigere Produktionslösungen bietet.