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Randschichtverfestigungsverfahren beruhen auf drei physikalischen Effekte: Glättung, Eigenspannungen und Kaltverfestigung. Nur beim Festwalzen treten alle drei Effekte in Kombination auf, wodurch dieses Verfahren außerordentlich hohe Steigerungen der Schwingfestigkeit hervorrufen kann. Festwalzen ist für alle metallischen Werkstoffen anwendbar. Der Anwendungsbereich reicht heute von Stählen, Gusswerkstoffen bis zu Leichtmetallen, wie Buntmetalle, Aluminium-, Titan-, Nickelbasis- und Magnesiumlegierungen.
Beim Glatt- und Festwalzen wird ein Wälzkörper, dies kann sowohl eine Kugel, als auch ein Rolle sein, gegen die Oberfläche des Werkstücks gedrückt. Die Pressung im Kontaktbereich übersteigt dabei die Fliessgrenze, so dass es in der Randschicht zu elastisch-plastischer Umformung kommt. Nach Hertz ergibt sich ein Vergleichsspannungstiefenverlauf, der unterhalb der Oberfläche ein Maximum besitzt und in der Tiefe des Werkstücks gegen Null geht. Dadurch wird nur ein Teil der Randzone plastisch verformt, während in tieferen Bereichen nur elastische Verformung auftritt. Dies führt zu Druckeigenspannungen, die wie die Hertz‘sche Vergleichsspannung stets unter der Oberfläche ein Maximum durchlaufen.
Da die Umformung kalt erfolgt, d.h. unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs, wird die Randschicht kaltverfestigt. Durch die plastische Umformung werden Störungen in die Gitterstruktur induziert. Die erhöhte Versetzungsdichte erhöht die Festigkeit der Randzone und kann somit Anrisse verhindern oder das Risswachstum verlangsamen. Ein Festwalzprozess ähnelt bezüglich seiner Kinematik dem Drehen bzw. Fräsen und kann sowohl im Einstich (für kleine Radien), im Vorschub als auch in Form einer zeilenförmigen Vorschubbewegung durchgeführt werden. Um starke Gradienten in der Randschicht zu vermeiden, wird die Walzkraft bzw. der Druck verzögert aufgebaut. Durch diesen allmählichen Anstieg wird eine Kerbwirkung verhindert. Aufgrund der einfachen Kinematik kann das Verfahren auf konventionellen Werkzeugmaschinen eingesetzt werden. In der Großserienfertigung von Kurbelwellen und Kolbenstangen werden hingegen auch Spezialmaschinen zum Fest- bzw. Glattwalzen eingesetzt.
Glättung
Die Glättung der Oberfläche beruht auf der plastischen Umformung der Rauhigkeitsspitzen an der Oberfläche. Während der Umformung tragen besonders die Rauheitsspitzen die Last des Wälzkörpers. Dadurch werden die Rauheitsspitzen heruntergedrückt und das Material fließt seitlich und füllt die Täler, was zum Anheben des Talniveaus führt (Bild 3). Die Annahme, es käme zu einer Verdichtung der Randschicht ist nur für poröse Werkstoffe gültig. Die Durchmesseränderung beim Walzen ist entsprechend der Umformung nur im µm-Bereich und kann in der Vorbearbeitung berücksichtigt werden. Die heutige ECOROLL Werkzeugtechnologie erlaubt es, gehärtete Werkstücke mit bis zu 65 HRC (840 HV) zu walzen. Das hydrostatische Werkzeugprinzip, bei dem eine Hartstoffkugel mit hohem Druck auf der Werkstückoberfläche abwälzt ermöglicht dabei eine Reduzierung der Rautiefe auf ca. ein Viertel der Vorbearbeitung. Bei ungehärteten, duktilen Werkstoffen ist eine Reduzierung der Rautiefe um den Faktor 20 möglich.
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Eigenspannungen
Viele Verfahren zur Erhöhung des Bauteilfestigkeit, bzw. der Lebensdauer unter schwingender Beanspruchung, beruhen auf der Induzierung von Druckeigenspannungen in der Randschicht. Dazu zählen auch Wärmebehandlungsverfahren wie Härten und Nitrieren, aber auch Kugelstrahlen und Festwalzen. Auch spanabhebende Prozesse wie Gegenlauffräsen und ein gut abgestimmter Schleifprozess können signifikante Druckeigenspannungen in ein Bauteil induzieren.
Eigenspannungen durch Festwalzen beruhen auf der inhomogene Deformation der oberflächennahen Randschicht. Der Wälzkörper in Form einer Rolle oder Kugel erzeugt in der Randschicht Spannungen, die in einigen Tiefenbereichen plastische, in anderen Bereichen nur elastische Deformation hervorrufen.
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Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte auch der Verlauf der Lastspannungen im Bauteil beachtet werden. Ungünstige Verhältnisse in der Randschicht können dazu führen, dass sich der Rissausgang von der Oberfläche in Bereiche unter der Oberfläche verlagert. Dies ist nicht wünschenswert, da es keine Anzeichen von außen gibt, die ein Versagen ankündigen.
Eigenspannungsmessung ist heute durch mechanische und röntgenografische Methoden üblich. ECOROLL führt gerne in Ihrem Auftrag Eigenspannungsmessung im Rahmen von Festwalzversuchen durch.
Kaltverfestigung
Aufgrund der plastischen Umformung der Randschicht bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur kommt es beim Festwalzen zu Kaltverfestigung. Bei plastischen Verformungen gleiten Atomschichten aneinander vorbei. Im Gefüge ist das Gleiten an den Korngrenzen erschwert. An diesen Stellen ist das Raumgitter verzerrt und es kommt zu einer Behinderung des Gleitens. Eine Kaltverformung führt zu einer großen Zahl von Verzerrungen im Raumgitter. Diese behindern bei weiterer Belastung ein weiteres Gleiten des Werkstoffes. Damit wird eine kaltumgeformter Bereich verfestigt und spröde. Eine weitere Belastung führt dann eher zum Bruch, als zu Gleiten. Bild 15 zeigt diesen Zusammenhang. Die Versprödung, die bei der Umformung von Blechen beispielsweise kritisch sein kann, stellt beim Festwalzen kein Problem dar, da die Kaltverfestigung nur in der Randschicht auftritt. Die Erhöhung von Streckgrenze und Zugfestigkeit in der Randschicht trägt jedoch signifikant zur Erhöhung der Lebensdauer bei.
Kaltverfestigung kann messtechnisch anhand der Halbwertsbreite durch die Röntgendiffraktomie oder durch Härtemessung erfasst werden. Bei der Härtemessung ist die Kaltverfestigung jedoch mit den Eigenspannungen überlagert.
Um durch Festwalzen optimale Ergebnisse zu erzielen, ist es notwendig durch Versuche die optimalen Bearbeitungsparameter zu finden. ECOROLL bietet an, im Kundenauftrag die Optimierung von Festwalzprozessen durchzuführen. Hierzu kann die Versuchsbearbeitung von Bauteilen oder Proben, die Analyse von Eigenspannung und Verfestigung oder die Untersuchung der Schwingfestigkeit zählen.
