DE4134333A1 - Verfahren zur steigerung der festigkeit und schwingfestigkeit von metalloberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Festigkeit und Schwingfestigkeit von Metalloberflächen durch Einbringen von Druckeigenspannungen mittels plastischer Verformung und Verfestigung.

Zu diesem Zweck sind verschiedene, mechanische Verfahren bekannt, z. B. Kugelstrahlen (shot peening), Festwalzen und Aufweiten durch Aufdornen.

Literatur

W. Schütz: Das Kugelstrahlen und sein Einfluß auf wichtige Bauteileigenschaften, Der Maschinenschaden, S. 170-176, 61 (1989).

Proceedings of the Fourth International Conference on Shot Peening, Hrsg. K. Iida, The Japan Society of Precision Engeneering, Tokio (1990).

Proceedings of the International Conference on Fatigue, Pre­ vention & Design, Amsterdam, 21. bis 24. April 1986, Hrsg. J. T. Barnby, Chameleon Press Ltd. London (1986).

Proceedings of the Third International Conference on Shot Peening, Garmisch-Partenkirchen 1987, Hrsg. H. Wohlfahrt, Deutsche Ges. für Materialkunde.

Ein Nachteil dieser rein mechanischen Verfahren ist die nur schwer vermeidbare Veränderung der Topographie der Metalloberflächen. Es treten bei den mechanischen Verfahren Mikro-Kerbspannungen auf, wodurch die Gefahr der frühzeitigen Rißbildung erhöht wird (H. Gray: Einfluß einer Kugelstrahlbehandlung auf das Ermüdungsverhalten von Titanlegierungen bei erhöhten Temperaturen, Diss. TU Hamburg-Harburg, 1988).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, negative mechanische Einwirkungen auf die Metalloberflächen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die plastische Verformung und Verfestigung berührungslos mittels magnetischen Druckes erfolgt. Der notwendige magnetische Druck kann mittels eines elektrischen Leiters oder Leitersystems in der Nähe der zu behandelnden Oberfläche erzeugt werden, wobei durch den Leiter oder das Leitersystem ein starker Stromstoß in der Größenordnung von einer Million Ampere, z. B. durch Entladen einer geeigneten Kondensatorbatterie, gegeben wird.

An Hand der Zeichnung wird ein Beispiel der Erfindung (Behandlung einer Bauteilkerbe in Form einer Bohrung) nach Patentanspruch 3 näher erläutert.

Bei der Bohrung 1 in der Metallplatte 2 werden durch erfin­ dungsmäßiges Aufweiten Druckeigenspannungen in die Bohrung eingebracht. Der Bohrungsdurchmesser beträgt in diesem Beispiel 12 mm. Durch die Bohrung 1 wird ein elektrischer Leiter 3 durchgeführt, dessen Durchmeser 10 mm beträgt. Der Leiter 3 besteht aus einem Stab aus Edelstahl mit besonders hoher Festigkeit, auf den ein Kupferrohr mit 1 mm Wandstärke auf­ geschrumpft worden ist. Dieser zylindrische Leiter ist mit einer 0,2 mm starken Isolationsschicht umgeben, um einen elektrischen Schluß mit der Metallplatte auszuschließen. In dem elektrischen Leiter wird durch Entladung der Kondensator­ batterie 4 über den Schalter 5, der aus einer Parallel­ schaltung von fünfzehn Ignitrons gebildet wird, ein gedämpfter sinusförmiger Stromverlauf erzeugt.

Die Kapazität der Kondensatorbatterie 4 beträgt 900 µF und die Ladespannung 8,2 kV, so daß sich für den Energieinhalt 30 kWs ergeben. Die Kondensatorbatterie und die Zuleitungen zum Leiterstab 3 sind möglichst niederinduktiv ausgebildet. Die Eigenfrequenz des Systems beträgt 25 kHz und das logarithmische Dekrement 0,7. Der Strom im Leiter 3 erzeugt ein ringförmiges Magnetfeld 6 um den Leiter 3. Innerhalb der Metallplatte werden diese ringförmigen Magnetfelder aufgehoben durch induzierte Ströme, die an der Oberfläche der Metallplatte fließen. In der Bohrungswand fließen diese induzierten Ströme antiparallel, d. h. in Gegenrichtung zum Strom im durchgesteckten Leiter 3. Im Spalt zwischen Leiter 3 und Bohrungswand entsteht ein magnetischer Druck, der berechnet werden kann mit:

p_max = µ₀ · f² · C · Wc · r^-2 · e^{- δ /2}
µ₀ = 1,26 · 10^-6 VsA^-1 m^-1
f = Frequenz des Entladestroms in Hz
C = Kapazität der Kondensatorbatterie in F
W_c = gespeicherte Energie in Ws
r = Lochradius in m
δ = logarithmisches Dekrement

Beim Ausführungsbeispiel wurde im ersten Strommaximum ein Druck von 4,2·10⁸ Pa erreicht.

Claims (3)

1. Verfahren zur Steigerung der Festigkeit und Schwingfestigkeit von Metalloberflächen durch Einbringen von Druckeigenspannungen mittels plastischer Verformung, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Verformung und Verfestigung berührungslos mittels magnetischen Druckes erfolgt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Druck mittels eines elektrischen Leiters oder Leitersystems in der Nähe der zu behandelnden Oberfläche erzeugt wird, wobei durch den Leiter oder das Leitersystem ein starker Stromstoß in der Größenordnung von einer Million Ampere, z. B. durch Entladen einer geeigneten Kondensatorbatterie, gegeben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Anwendung des Verfahrens auf Bohrungen im Metallplatten, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Leiter isoliert von der Metallplatte durch die Bohrung gesteckt wird, und in diesem Leiter ein Stromstoß mit hoher Stromstärke in der Größenordnung von einer Million Ampere, z. B. durch Entladung einer geeigneten Kondensatorbatterie, erzeugt wird.