Chemisches Entgraten und Polieren erhöht die Belastbarkeit von Bauteilen

Dauerbrüche, auch Ermüdungsbrüche genannt, beginnen meist klein an bestimmten Risskeimen. Der Riss wächst dann meist unerkannt schrittweise weiter bis er schließlich einen plötzlichen Gewaltbruch des geschwächten Restquerschnitts auslöst. Die Dauerfestigkeit, das heißt die Festigkeit gegen Ermüdungsbrüche bei dynamisch belasteten Bauteile wird wesentlich von der Gestalt und Struktur der oberflächennahen Werkstoffschichten bestimmt.

Dauerbrüche beginnen an Risskeimen im Oberflächenbereich

Über 80% der Dauerbrüche beginnen an Risskeimen im Oberflächenbereich. Die gezielte Anwendung des chemischen und elektrochemischen Entgratens und Polierens von Metalloberflächen kann die Gefahr von Dauerbrüchen an metallischen Werkstücken wesentlich verringern und deren Lebensdauer um ein Mehrfaches verlängern. Bei Poligrat wurden dazu Produkte für das Tauchverfahren entwickelt, die einfach und zuverlässig in der Anwendung sind. Sie beseitigen oder entschärfen die meisten der äußeren Risskeime, die sich zwei Gruppen zuordnen lassen:

-Risskeime können die Folge der Feinbearbeitung sein. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Grate und Einrisse an Kanten, um scharfkantige Strukturen des Oberflächenprofils oder vertiefte Korngrenzen. Die Kerbwirkung am Grund dieser Strukturen führt zu lokaler Konzentration von Zugspannungen mit der Gefahr, dass dort ein Anriss mit nachfolgendem Dauerbruch beginnt.

Lokale Zugspannungen in Randschichten lösen Dauerbrüche aus

Eine mechanische, thermische oder chemische bearbeitungsbedingte Werkstückbelastung kann zu Risskeimen in mikrometerdicken oberflächennahen geschädigten Werkstoffschichten führen. Diese Randschichten, auch Beilby-Schichten genannt, unterscheiden sich hinsichtlich der Zusammensetzung, Struktur und Eigenspannung deutlich vom ungestörten Grundwerkstoff. Sie enthalten oftmals lokale Zugspannungen, eingebettete Fremdkörper und Oxide, Grobkornbildung, lokale Ausscheidungen an Korngrenzen. Diese Keime können Dauerbrüche auslösen.

Im chemischen oder elektrochemischen Tauchverfahren werden daher die geschädigten Werkstoffschichten mit allen enthaltenen Fremdkörpern, Zug- und Druckspannungen sowie sonstigen Defekten vollständig und zuverlässig abgetragen. Der Prozess ist belastungsfrei und läuft kontrolliert ab. So bringt die chemische und elektrochemische Oberflächenbearbeitung das ungestörte Grundgefüge mit seinen besten Eigenschaften an der Oberfläche zur Geltung. Außerdem werden Kanten und Flächen im gesamten Wirkungsbereich des Prozesses entgratet.

Das Oberflächenprofil wird bis in den Mikrobereich hinein geglättet und verrundet. Anrisse und scharfkantige Strukturen werden entweder ganz beseitigt oder – falls sie größer sind – so weit geöffnet und verrundet, dass von ihnen keine Kerbwirkung mehr ausgeht. Die Öffnung von Rissen ermöglicht gleichzeitig eine zuverlässige Qualitätskontrolle.

Chemischen Prozesse arbeiten unabhängig von Form und Größe der Werkstücke

Anhand der Wöhlerkurve werden die Unterschiede deutlich. Die Proben dazu waren zwei Lose aus Ventilfedern für Motoren von Rennsportfahrzeugen. Bei den Federn beider Lose wurden zur Verbesserung der Dauerfestigkeit die Oberflächen im Kugelstrahlverfahren verdichtet. Zuvor hatte man ein Los elektrochemisch poliert, das andere Los nicht. Ergebnis: Während eines Belastungstests ist bei dem elektropolierten Los keine Feder gebrochen.

Die chemischen und elektrochemischen Prozesse arbeiten weitgehend unabhängig von Form und Größe der Werkstücke und der Werkstoffhärte. Für die meisten industriell verwendeten Metalle und Legierungen stehen industriell erprobte Verfahren zur Verfügung. Die langjährige Erfahrung zeigt, dass eine chemische oder elektrochemische Oberflächenbearbeitung dynamisch stark beanspruchter Bauteile eine Erhöhung der Dauerfestigkeit um den Faktor vier bis acht bewirkt.

Typische Anwendungen aus einer Vielzahl von Beispielen sind mechanische Federn, Hydraulikkomponenten, die einer Druckschwellbelastung ausgesetzt werden, Bauteile für den Turbinen- und Motorenbau sowie elektrische Schaltkontakte.

Siegfried Pießlinger-Schweiger ist Geschäftsführer der Poligrat GmbH in 81829 München.