Januar 4, 2025

Als Schlüsselkomponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie im Energiesektor stellen Turbinenkomponenten extrem hohe Anforderungen an ihre Leistung und Zuverlässigkeit. Kugelstrahlen ist ein wichtiges technisches Mittel zur Optimierung der Oberfläche von Turbinenkomponenten durch Einbringen von Druckeigenspannungen, um die Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Materialien zu verbessern.

Keramikkugeln und Stahlkugeln sind die beiden am häufigsten verwendeten Kugelstrahlmittel. Obwohl beide eine bestimmte Verfestigungswirkung erzielen können, gibt es erhebliche Unterschiede in Bezug auf Leistung, Haltbarkeit und Kosten. In diesem Artikel werden diese Vergleichspunkte erörtert, um den Anwendern die Auswahl des geeigneten Kugelstrahlmittels zu erleichtern.

1. Oberflächenrauhigkeit

Obwohl keramische Strahlperlen eine hohe Härte aufweisen, beschädigen sie die Oberfläche nicht und können bei gleichbleibender Bearbeitungseffizienz eine geringe Oberflächenrauheit erzeugen. Es eignet sich in der Regel für Turbinenteile mit hohen Anforderungen an die Oberflächengüte, z. B. für Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken.

Obwohl sie eine starke Schlagkraft hat, kann sie leicht eine hohe Rauheit erzeugen und ist nicht für Turbinenteile geeignet, die eine empfindliche Oberflächenbehandlung erfordern.

2. Oberflächengüte

Die Oberfläche der Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln ist glatt, und nach dem Aufprall bilden sich nicht so leicht Kratzer oder Dellen, wodurch eine gleichmäßige Oberflächenbehandlung erreicht werden kann.

Stahlschrot wird normalerweise aus kohlenstoffreichem oder legiertem Stahl hergestellt. Obwohl Stahl eine hohe Härte aufweist, ist seine Partikelstruktur relativ zerbrechlich. Bei hoher Intensität oder häufigem Gebrauch kann er sich leicht verformen oder zersetzen, was zu einer ungleichmäßigen Schlagwirkung führen kann, was wiederum die Gesamtqualität beeinträchtigt.

3. Spannungsverteilung

Keramikkugeln haben eine einheitliche Größe und können eine gleichmäßige und mäßige Tiefe der Druckeigenspannung in die Oberflächenschicht einbringen, was zu einer Verbesserung der Ermüdungslebensdauer beiträgt. Die Tiefe der Druckspannungsverteilung erreicht normalerweise 0.1-0.15 mm, was bei spannungsempfindlichen Teilen die bevorzugte Wahl ist.

Stahlschrot kann zu einer tieferen Druckeigenspannungsverteilung führen (die Tiefe kann bis zu mehr als 0,2 mm), aber die Gleichmäßigkeit der Spannungsverteilung ist möglicherweise nicht so gut wie bei Keramikkugeln, was sich auf die Lebensdauer der Teile auswirkt.

4. Erfassungsbereich

Keramikkugeln haben eine hohe Konsistenz in Größe und Form, so dass mit dem Kugelstrahlverfahren leicht eine höhere Deckung erreicht werden kann. 10%-15% höher als die von Stahlschrot.

Bei Stahlkugeln kann es aufgrund von Unterschieden in Form und Härte zu einer unzureichenden lokalen Abdeckung kommen, und es kann zusätzliche Zeit oder mehrere Kugelstrahlvorgänge erfordern, um die Anforderungen zu erfüllen.

5. Einheitlichkeit

Keramische Kugelstrahlmittel bestehen hauptsächlich aus Zirkoniumoxid (mit einem Anteil von 60%-70%), kombiniert mit anderen Oxiden. Die einzigartige Kristallstruktur hat eine ausgezeichnete Druckfestigkeit und Zähigkeit, ist nicht leicht zu brechen und eignet sich besonders für Arbeitsumgebungen mit hoher Intensität und wiederholten Stößen. Es kann eine gleichmäßige Schlagwirkung während des Kugelstrahlens aufrechterhalten und die Gleichmäßigkeit der Behandlung verbessern.

Die Bruchrate von Stahlkugeln ist jedoch höher, und nach dem Kugelstrahlen können Partikel unterschiedlicher Größe entstehen, was die Konsistenz des Kugelstrahlverfahrens beeinträchtigt.

1. Korrosionsbeständigkeit

Keramikkugeln haben eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und werden nicht leicht von Feuchtigkeit und Chemikalien angegriffen. Sie eignen sich für Teile, die über einen längeren Zeitraum korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind. Zum Beispiel kann Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln in Meeresumgebungen oder bei hoher Luftfeuchtigkeit die Oberflächenintegrität von Turbinenteilen wirksam schützen.

Stahlschüsse werden leicht von Feuchtigkeit und Chemikalien angegriffen. Langfristiger Einsatz kann zu Rost führen, der die Oberflächenqualität der Turbinenteile beeinträchtigt. Eine zusätzliche Rostschutzbehandlung ist erforderlich, was die Kosten und die Komplexität der Anwendung erhöht.

2. Anwendbarer Temperaturbereich

Keramische Werkstoffe sind sehr hitzebeständig und behalten in der Regel auch in Hochtemperaturumgebungen eine stabile Struktur. Das Material wird nicht erweicht oder verändert seine Form. Sie eignen sich für Hochtemperaturteile wie die Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken.

Stahlkugeln können aufgrund von Oxidation oder Leistungsminderung in Ultrahochtemperaturumgebungen versagen und sind nicht für das Kugelstrahlen bei extrem hohen Temperaturen geeignet.

1. Dauerhaftigkeit

Keramikkugeln haben eine hohe Verschleißfestigkeit und eine viel längere Lebensdauer als Stahlkugeln. Studien haben gezeigt, dass Keramikkugeln unter den gleichen Bedingungen 2-3 Mal häufiger verwendet werden können als Stahlkugeln.

Aus strukturellen Gründen ist es wahrscheinlicher, dass Stahlkugeln bei hochfrequentem Einsatz reißen, was zu einem Versagen führt, und ihre Lebensdauer ist deutlich geringer als die von Keramikkugeln.

2. Recyclingquote

Keramikkugeln haben eine hohe Wiederverwertungsrate und können nach einfacher Reinigung wieder verwendet werden. Die Verlustrate ist gering, was dazu beiträgt, den Medienverbrauch des gesamten Kugelstrahlverfahrens zu reduzieren.

Die Recyclingrate von Stahlschrot ist niedriger als die von Zirkoniumdioxid-Keramikschrot. Aufgrund von Rissen und Verformungen ist der Verlust höher und muss häufiger ersetzt und gehandhabt werden, was die Komplexität und die Kosten der Wartung erhöht.

3. Wirtschaft

Die Stückkosten für Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln sind höher, aber ihre Haltbarkeit und hohe Recyclingrate machen sie für den langfristigen Einsatz wirtschaftlicher. Stahlkies hat niedrige Anschaffungskosten und ist für Projekte mit begrenztem Budget oder kurzfristige Projekte geeignet. Mehr Aufmerksamkeit sollte den hochintensiven Kugelstrahlverfahren gewidmet werden.

1. Hochpräzise Anforderungen

Keramische Strahlperlen eignen sich gut für die Bearbeitung von Hochpräzisionsteilen wie Turbinenschaufeln und Flugzeugmotorteilen. Mit ihrer moderaten Härte und gleichmäßigen Partikelgröße können sie eine hochwertige Oberflächenverfestigung bewirken, ohne die Oberfläche zu beschädigen.

Insbesondere bei Werkstücken mit komplexen Details und hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität, wie z. B. Nuten und Kanten von Turbinenschaufeln, erfordern diese Teile in der Regel eine feine Steuerung der Aufprallkraft und der Gleichmäßigkeit des Strahlmittels.

2. Hohe Anforderungen an die Festigkeit

Stahlkies hat aufgrund seiner großen Aufprallkraft erhebliche Vorteile bei Teilen, die mit hoher Intensität kugelgestrahlt werden müssen, wie z. B. große Turbinenlager und drucktragende Teile.

Geeignet für die Oberflächenverfestigung von dicken und schweren Metallteilen, kann schnell eine tiefe Druckeigenspannung erreicht werden, wodurch die Lebensdauer der Teile erhöht wird.

3. Anforderungen an den Umweltschutz

Keramische Perlen enthalten keine eisenhaltigen Bestandteile, erzeugen weniger Staub und Schadstoffe und erfüllen die Umweltschutznormen. Auch die bei der Verwendung entstehenden Abfälle sind relativ gering, was dazu beiträgt, die Kosten für das Umweltschutzmanagement in der Fabrik zu senken.

Stahlkugeln können nach der Abnutzung Eisenoxidpartikel erzeugen, was ein umfangreiches Umweltmanagement erfordert. Häufiges Auswechseln erhöht auch die Menge der zu entsorgenden Abfälle, was für Produktionsumgebungen, die Wert auf eine umweltfreundliche Herstellung legen, nicht geeignet ist.

Keramikkugeln und Stahlkugeln haben jeweils einzigartige Vorteile und eignen sich für unterschiedliche Anforderungen beim Verfestigungsstrahlen von Turbinenkomponenten.

Keramikkugeln eignen sich gut für die Oberflächenbehandlung von Turbinenschaufeln und komplexen Bauteilen mit hohen Präzisionsanforderungen und können eine gleichmäßige und detaillierte Oberflächenverfestigung bewirken, die für Anwendungen geeignet ist, die eine hohe Oberflächenqualität und lange Lebensdauer erfordern. Stahlkugeln hingegen zeigen unvergleichliche Vorteile mit einer stärkeren Schlagkraft bei der Bearbeitung von Bauteilen, die eine hohe Druckbelastung erfordern, wie z. B. große Turbinenlager und drucktragende Bauteile.

Die beiden Medien haben ihre Schwerpunkte, und die Auswahl sollte auf den spezifischen Leistungsanforderungen, den Umweltanforderungen und dem wirtschaftlichen Budget der Turbinenkomponenten basieren.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Kugelstrahltechnologie und der Werkstoffe könnten in Zukunft weitere innovative Strahlmittel auf den Markt kommen, die präzisere und umweltfreundlichere Lösungen für die effiziente Behandlung von Turbinenkomponenten bieten.