Eigenspannungsanalyse in geschliffenen Wellen: Wie Schleifparameter die Dauerfestigkeit beeinflussen
Eigenspannungen in geschliffenen Motorwellen: Was ist das und warum ist es wichtig?
Eigenspannungen sind die inneren Spannungen, die nach dem Schleifprozess in einer Motorwelle verbleiben. Ihr Eigenspannungszustand (Zug oder Druck) bestimmt direkt die Dauerfestigkeit der Welle unter rotierender Biegebelastung. Druckeigenspannungen an der Oberfläche (typischerweise -200 bis -800 MPa bei einer fachgerecht geschliffenen und induktionsgehärteten Welle aus 4140/4340-Stahl) wirken der Rissbildung entgegen und können die Dauerfestigkeit im Vergleich zu einer Welle mit Zugeigenspannungen um das 3- bis 10-Fache verlängern. Zugeigenspannungen an der Oberfläche (oft verursacht durch unsachgemäßes Schleifen ohne ausreichende Kühlung, zu große Schnitttiefe oder Schleifbrand) beschleunigen die Rissbildung und können die Dauerfestigkeit im Vergleich zum fachgerecht geschliffenen Zustand um 50 bis 90 % reduzieren.
Die Eigenspannung wird mittels Röntgenbeugung gemäß der ISO 6508-1:2015 Rockwell-Härtestandard (Querverweis auf ASTM E837 Bohrverfahren)Die Eigenspannung ist das wichtigste Qualitätsmerkmal für ermüdungskritische Motorwellen. Die Messtiefe ist entscheidend: Die Oberflächeneigenspannung (oberste 5–50 μm) variiert am stärksten mit dem Schleifprozess, während die maximale Eigenspannung im Untergrund (50–500 μm Tiefe) laut umfangreicher Untersuchungen zur Oberflächenintegrität bearbeiteter Bauteile am engsten mit der Ermüdungslebensdauer korreliert.
Für Käufer von Motorwellen bedeutet dies, dass die Spezifikation der Eigenspannungen vertraglich vorgeschrieben und nicht nur ein interner Prozess des Lieferanten sein sollte. Ein Lieferant, der die Eigenspannungen während der Produktion überwacht und steuert, kann Wellen mit einer 3- bis 10-mal längeren Dauerfestigkeit liefern als ein Lieferant, der lediglich Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit kontrolliert. Die Überprüfung der Eigenspannungen ist das entscheidende Qualitätsmerkmal, das einen Lieferanten hochzuverlässiger Wellen von einem Lieferanten von Standardwellen unterscheidet.
Die 4 Schleifparameter, die die Eigenspannung am stärksten beeinflussen
Die vier Schleifparameter, die die Eigenspannungen in Motorwellen am stärksten beeinflussen, sind Schnitttiefe, Vorschubgeschwindigkeit, Schleifkorngröße und Kühlmitteldurchfluss. Diese vier Parameter bestimmen gemeinsam die spezifische Schleifenergie (den Energieeintrag pro Volumeneinheit abgetragenen Materials). Die spezifische Schleifenergie ist die Hauptursache für die thermische Schädigung, die Zug-Eigenspannungen erzeugt. Ein Schleifprozess mit einer spezifischen Energie unter 20 J/mm³ erzeugt Druck-Eigenspannungen, die für ermüdungskritische Anwendungen geeignet sind; ein Schleifprozess mit einer spezifischen Energie über 50 J/mm³ erzeugt typischerweise Zug-Eigenspannungen und Schleifbrand.
| Parameter | Sicherheitsbereich | Risikoschwelle | Auswirkung auf die Eigenspannung |
|---|---|---|---|
| 1. Schnitttiefe pro Durchgang | 0,005–0,025 mm | > 0,025 mm | Zu große Tiefe → hohe Temperatur → Zugspannung |
| 2. Vorschubgeschwindigkeit / Tischgeschwindigkeit | 1–15 m/min | > 15 m/min | Zu hohe Zufuhr → kurzer Kontakt → hohe Hitze |
| 3. Schleifmittel (Oberflächenfinish) | Körnung 60-80 | Grobes Schleifmittel → hohe Hitze → Zugspannung | |
| 4. Kühlmitteldurchflussrate | 10-30 l/min | Unzureichende Kühlung → Schleifbrand |
Die Schnitttiefe pro Durchgang ist der empfindlichste Parameter: Jede Erhöhung der Schnitttiefe um 0,01 mm verdoppelt annähernd den Wärmeeintrag beim Schleifen. Die Schnitttiefe sollte daher vom Schruppschleifen (0,020–0,025 mm) zum Schlichtschleifen (0,005–0,010 mm) schrittweise reduziert werden. Die Vorschubgeschwindigkeit bzw. Tischgeschwindigkeit steuert die Kontaktzeit zwischen Schleifscheibe und Werkstück: Eine hohe Vorschubgeschwindigkeit (über 15 m/min beim Rundschleifen) verkürzt die Kontaktzeit und konzentriert die Wärme in einer dünnen Oberflächenschicht, während eine moderate Vorschubgeschwindigkeit (5–10 m/min) die Wärme über ein größeres Volumen verteilt und eine effektivere Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel ermöglicht.
Die Körnung der Schleifscheibe bestimmt die Oberflächenrauheit und die Abtragsrate: Eine grobe Schleifscheibe mit Körnung 36–46 trägt Material 2–3 Mal schneller ab, erzeugt aber mehr Wärme pro Volumeneinheit, während eine feine Schleifscheibe mit Körnung 60–80 eine glattere Oberfläche (Ra 0,4–0,8 μm) mit geringerer Wärmeentwicklung erzeugt. Die Kühlmittelmenge ist der variabelste Parameter in der Produktion: Für das Rundschleifen einer Welle mit 50 mm Durchmesser sollte die Kühlmittelmenge mindestens 10 l/min betragen. Das Kühlmittel sollte im Kontaktbereich zwischen Schleifscheibe und Werkstück mit einer Düsengeometrie zugeführt werden, die ein maximales Eindringen in den Kontaktbereich gewährleistet.
6. Auswirkungen des Spannungsmechanismus beim Schleifen
Die sechs Spannungsmechanismen, die den endgültigen Eigenspannungszustand einer geschliffenen Motorwelle bestimmen, sind: (1) Mechanische plastische Verformung – das Schleifmittel pflügt die Oberfläche und erzeugt eine dünne Schicht mit plastischer Druckverformung; (2) Unterschiedliche Wärmeausdehnung – die lokale Schleifwärme führt zu einer Ausdehnung der Oberfläche, und die Behinderung durch die kühlere Unterschicht erzeugt beim Erhitzen Druckspannungen und beim Abkühlen Zugspannungen; (3) Phasenumwandlung – bei induktionsgehärteten Wellen kann die Schleifwärme die Oberfläche wieder austenitisieren und unangelassenen Martensit bilden, was Zugspannungen erzeugt; (4) Oxidation – bei Schleiftemperaturen über 600 °C oxidiert die Oberfläche und bildet eine Eisenoxidschicht, die zusätzliche Zugspannungen verursacht; (5) Abschreckung durch das Schleifmittel – die schnelle Abkühlung durch das Schleifkühlmittel kann Temperaturgradienten erzeugen, die Zugspannungen verursachen; (6) Spannungskonzentration durch Oberflächenrauheit – die Schleifrillen und Vorschubspuren wirken als Kerbwirkungen, die die aufgebrachte Betriebsspannung um das 1,5- bis 3-Fache verstärken können.
Die sechs Mechanismen wirken einander entgegen: Die mechanische plastische Verformung (Mechanismus 1) führt tendenziell zu Druckeigenspannungen, während die unterschiedliche Wärmeausdehnung (Mechanismus 2) und die Phasenumwandlung (Mechanismus 3) tendenziell Zugeigenspannungen erzeugen. Die resultierende Eigenspannung ist die Summe der Effekte der sechs Mechanismen und hängt davon ab, welche Mechanismen den Schleifprozess dominieren. Ein optimal gesteuerter Schleifprozess (Mechanismus 1 dominiert) erzeugt resultierende Druckeigenspannungen; ein unsachgemäßer Schleifprozess (Mechanismen 2–4 dominieren) erzeugt resultierende Zugeigenspannungen und Schleifbrand.
Die 3 Arten von Schleifbrand
Schleifbrand ist eine thermische Beschädigung der Wellenoberfläche durch übermäßige Schleifhitze und die Hauptursache für Zug-Eigenspannungen in geschliffenen Motorwellen. Man unterscheidet drei Arten von Schleifbrand: Anlassbrand, Nachhärtungsbrand und Oxidationsbrand. Alle drei Arten erzeugen Zug-Eigenspannungen an der Oberfläche und reduzieren die Dauerfestigkeit im Vergleich zu einer fachgerecht geschliffenen Welle um 50–95 %.
Verbrennungen durch Temperierung (am häufigsten)
Anlassbrand entsteht, wenn die Schleifwärme den Oberflächenmartensit in Ferrit und Karbid umwandelt und so die Oberflächenhärte um 3–8 HRC reduziert. Die Anlasstemperatur liegt typischerweise bei 200–400 °C für 4140/4340-Stahl, und der Anlassvorgang findet in einer dünnen Oberflächenschicht (typischerweise 10–50 µm Tiefe) statt. Anlassbrand lässt sich mittels Mikrohärteprüfung (Knoop oder Vickers mit 25–50 g Prüflast) nachweisen und ist die häufigste Art von Schleifbrand, da der Anlasstemperaturbereich mit ungünstigen Schleifparametern am einfachsten erreicht werden kann.
Wiederverhärtungsbrand (am schädlichsten)
Die sogenannte Wiederhärtungsbrandbildung tritt auf, wenn die Schleifwärme die Oberfläche austenitisiert und diese anschließend (durch das Kühlmittel) abschreckt, wodurch unangelassener, spröder Martensit entsteht. Die Wiederhärtungstemperatur liegt typischerweise bei 800–900 °C für Stahl der Sorten 4140/4340, und die Wiederhärtung erfolgt in einer sehr dünnen Oberflächenschicht (typischerweise 5–20 µm Tiefe). Der unangelassene Martensit weist eine sehr hohe Härte (65–67 HRC) auf, ist aber extrem spröde. Dieser spröde Martensit ist die Hauptursache für die Reduzierung der Dauerfestigkeit. Die Wiederhärtungsbrandbildung lässt sich mittels Mikrohärteprüfung nachweisen (plötzlicher Härteanstieg an der Oberfläche).
Oxidationsbrand (am deutlichsten sichtbar)
Oxidationsbrand entsteht, wenn die Schleiftemperatur 600 °C übersteigt und eine Oberflächenoxidation verursacht, die als dunkle oder regenbogenfarbene Oxidschicht sichtbar ist. Oxidationsbrand ist die auffälligste Art von Schleifbrand und lässt sich visuell (dunkle oder regenbogenfarbene Färbung) oder durch Säureätzung (dunkle Flecken nach 5–10%iger Nital-Ätzung) erkennen. Typischerweise tritt Oxidationsbrand zusammen mit Anlass- oder Nachhärtungsbrand in der oberflächennahen Schicht auf.
4 Methoden zur Messung von Eigenspannungen in Motorwellen
Die Eigenspannungen in einer Motorwelle werden mit vier Standardmethoden gemessen. Diese vier Methoden decken den gesamten Tiefenbereich (von der Oberfläche bis 3 mm unter die Oberfläche) ab, der die Dauerfestigkeit beeinflusst, und bilden den Standard für die Qualitätskontrolle von ermüdungskritischen Motorwellen.
| Verfahren | Standard | Tiefenbereich | Präzision | Zerstörerisch |
|---|---|---|---|---|
| 1. Röntgenbeugung (XRD) | ASTM E837 | 5-50 μm (Oberfläche) | ±7 bis ±35 MPa | Nein (zerstörungsfrei) |
| 2. Lochbohrverfahren | ASTM E837 | 0-1 mm | ±10 bis ±30 MPa | Halbzerstörend |
| 3. Schichtentfernungsmethode | SAE J784 | 0-3 mm | ±15 bis ±40 MPa | Ja (destruktiv) |
| 4. Barkhausen-Rauschanalyse | ASTM B975 | 0-100 μm (Oberfläche) | ±20 MPa | Nein (zerstörungsfrei) |
Die Röntgenbeugung (XRD) ist die gebräuchlichste zerstörungsfreie Methode zur Messung von Oberflächeneigenspannungen. Sie misst die Gitterverzerrung in der Oberflächenschicht (5–50 µm Tiefe) durch Analyse der Beugungspeakposition unter verschiedenen Neigungswinkeln. Die typische Genauigkeit der Röntgenbeugung liegt je nach Material und Messgerät zwischen ±7 und ±35 MPa. Sie eignet sich für die routinemäßige Produktionsprüfung und ist Standard für Käufer von ermüdungskritischen Motorwellen.
Das Bohrlochverfahren ist die Standardmethode zur halbzerstörenden Bestimmung von Eigenspannungen im Untergrund in Tiefen von 0–1 mm. Dabei wird ein kleines Loch von 1,5–3 mm Tiefe durch eine Dehnungsmessstreifen-Rosette gebohrt und die entspannte Dehnung gemessen. Das Verfahren eignet sich zur Überprüfung des Spannungsprofils im Untergrund nach dem Schleifen. Das Schichtabtragverfahren ist die zerstörende Methode zur Bestimmung des gesamten Tiefenprofils (0–3 mm). Es beinhaltet das elektrochemische oder chemische Abtragen dünner Schichten in Kombination mit einer Krümmungsmessung. Die Barkhausen-Rauschanalyse ist die zerstörungsfreie magnetische Methode zur Bestimmung von ferromagnetischen Stählen. Sie korreliert das magnetische Barkhausen-Rauschen mit den Eigenspannungen in der Oberflächenschicht.
5-Fragen-Lieferantenanfrage für auf Eigenspannungen geprüfte geschliffene Schächte
Checkliste für die Angebotsanfrage (RFQ) zur Überprüfung der Eigenspannungen an einem Erdungsschacht: 5 Fragen
- Misst der Lieferant die Eigenspannungen mittels Röntgenbeugung gemäß ASTM E837, und wie hoch ist der typische Bereich der Oberflächeneigenspannungen des Wellenmaterials? Die Oberflächeneigenspannung einer ordnungsgemäß geschliffenen und induktionsgehärteten Welle aus 4140/4340-Stahl sollte im Bereich von -200 bis -800 MPa (Druckspannung) liegen. Der Lieferant sollte einen beispielhaften Röntgenbeugungsbericht einer aktuellen Produktionscharge zur Verfügung stellen, um die Messgenauigkeit zu belegen.
- Liefert der Lieferant ein Tiefenprofil der Eigenspannungen im Untergrund (0-500 μm) für den Schleifprozess, und wie hoch ist die maximale Druckeigenspannung in einer Tiefe von 50-500 μm? Die maximale Druckeigenspannung in 50–500 µm Tiefe ist der Auslegungswert für die Berechnung der Dauerfestigkeit. Bei ermüdungskritischen Motorwellen sollte die maximale Spannung im Bereich von -400 bis -800 MPa liegen. Der Lieferant sollte die Tiefenprofildaten einer aktuellen Produktionscharge bereitstellen.
- Kontrolliert der Lieferant die vier Schleifparameter (Schnitttiefe, Vorschubgeschwindigkeit, Schleifscheibenkorn, Kühlmittelstrom), und wie lautet die dokumentierte Spezifikation des Schleifprozesses? Die vier Schleifparameter müssen in der Prozessspezifikation des Lieferanten dokumentiert sein und innerhalb der zulässigen Bereiche liegen (Schnitttiefe 0,005–0,025 mm, Vorschubgeschwindigkeit 1–15 m/min, Schleifscheibenkörnung 60–80, Kühlmitteldurchfluss 10–30 l/min). Der Lieferant muss die Prozessspezifikation und die Aufzeichnungen der Parameterüberwachung bereitstellen.
- Führt der Lieferant eine Schleifbrandprüfung durch (Säureätzung, Barkhausen-Rauschen oder Mikrohärteprüfung), und wie hoch ist die Ausschussquote bei Schleifbrand? Der Lieferant sollte bei jeder Produktionscharge eine Schleifbrandprüfung durchführen. Bei einem ordnungsgemäß kontrollierten Schleifprozess sollte die Ausschussrate unter 1 % liegen. Der Lieferant sollte die Prüfprotokolle und die Ausschussrate der letzten Produktionschargen zur Verfügung stellen.
- Führt der Lieferant Ermüdungsprüfungen gemäß ISO 1143 (Drehbiegeversuch) durch, und wie hoch ist die typische Ermüdungsfestigkeit bei 10^7 Zyklen? Die Dauerfestigkeit bei 10⁷ Lastwechseln ist mittels Drehbiegeversuch nachzuweisen. Für eine induktionsgehärtete Welle aus 4140/4340-Stahl mit adäquater Eigenspannungsbewirtschaftung muss die Dauerfestigkeit mindestens 600 MPa betragen. Der Lieferant muss einen Prüfbericht einer aktuellen Produktionscharge vorlegen.
Die Angebotsanfrage mit fünf Fragen ist das Dokument, das der Käufer von Motorwellen vor der ersten Bestellung an den Lieferanten senden sollte. Die fünf Fragen dienen der Überprüfung, ob der Lieferant über die notwendigen Fähigkeiten zur Messung von Eigenspannungen, die Daten zum Spannungsprofil unter der Oberfläche, die Kontrolle der Schleifparameter, die Erkennung von Schleifbrand und die Durchführung von Dauerfestigkeitsprüfungen verfügt. Anhand dieser fünf Fragen qualifiziert der Käufer den Lieferanten als eigenspannungsgeprüften Lieferanten von geschliffenen Wellen.
Für einen Käufer, der eine Restspannungsprüfung benötigt CNC-Bearbeitung Welle Lieferant, das JEC-Team ist erreichbar unter Kontaktieren Sie uns Für den Röntgenbeugungsbericht, das Tiefenprofil der Untergrundspannungen, die Spezifikation des Schleifprozesses und die Überprüfung der Dauerfestigkeitsprüfung kann das Werk innerhalb von 7 Tagen nach Anfrage eine Musterwelle mit dem Röntgenbeugungsbericht zu den Eigenspannungen bereitstellen und innerhalb von 30–45 Tagen nach Auftragsbestätigung eine Produktionscharge mit dem entsprechenden Eigenspannungsprofil fertigstellen.
Häufig gestellte Fragen
Was sind Eigenspannungen in einer geschliffenen Motorwelle und warum sind sie für die Dauerfestigkeit von Bedeutung?
Eigenspannungen sind die inneren Spannungen, die nach dem Schleifprozess in einer Motorwelle verbleiben. Ihr Eigenspannungszustand (Zug oder Druck) bestimmt direkt die Dauerfestigkeit der Welle unter rotierender Biegebelastung. Druckeigenspannungen an der Oberfläche (typischerweise -200 bis -800 MPa bei einer fachgerecht geschliffenen und induktionsgehärteten Welle aus 4140/4340-Stahl) wirken der Rissbildung entgegen und können die Dauerfestigkeit im Vergleich zu einer Welle mit Zugeigenspannungen um das 3- bis 10-Fache verlängern. Zugeigenspannungen an der Oberfläche (oft verursacht durch unsachgemäßes Schleifen ohne ausreichende Kühlung, zu große Schnitttiefe oder Schleifbrand) beschleunigen die Rissbildung und können die Dauerfestigkeit im Vergleich zum fachgerecht geschliffenen Zustand um 50–90 % reduzieren. Die Eigenspannungen werden mittels Röntgenbeugung gemessen. ISO 6508-1:2015 Rockwell-Härtestandard (Querverweis auf ASTM E837 Bohrverfahren)Die Eigenspannung ist das wichtigste Qualitätskontrollkriterium für ermüdungskritische Motorwellen.
Welche Schleifparameter beeinflussen die Eigenspannungen in Motorwellen am stärksten?
Die vier Schleifparameter, die die Eigenspannungen in Motorwellen am stärksten beeinflussen, sind: (1) Schnitttiefe pro Durchgang (typischerweise 0,005–0,025 mm beim Schlichtschleifen; über 0,025 mm hinaus erhöht sich die Schleifwärme und das Risiko von Zugspannungen); (2) Vorschubgeschwindigkeit bzw. Tischgeschwindigkeit (typischerweise 1–15 m/min beim Rundschleifen; über 15 m/min hinaus verkürzt sich die Kontaktzeit und erhöht die Wärmeentwicklung); (3) Schleifscheibenkörnung und -härte (feine Körnung 60–80 beim Schlichtschleifen erzeugt eine geringere Oberflächenrauheit Ra 0,4–0,8 μm; grobe Körnung 36–46 trägt Material schneller ab, erhöht aber die Wärmeentwicklung); (4) Kühlmitteldurchfluss und -qualität (10–30 l/min beim Rundschleifen; unzureichender Durchfluss verursacht Schleifbrand und Zug-Eigenspannungen). Die vier Parameter bestimmen zusammen die spezifische Schleifenergie (den Energieeintrag pro Volumeneinheit abgetragenen Materials), und die spezifische Schleifenergie ist die Hauptursache für die thermische Schädigung, die Zug-Eigenspannungen erzeugt.
Was ist Schleifbrand und wie wirkt er sich auf die Lebensdauer aus?
Schleifbrand ist eine thermische Schädigung der Wellenoberfläche durch übermäßige Schleifhitze und die Hauptursache für Zug-Eigenspannungen in geschliffenen Motorwellen. Es gibt drei Arten von Schleifbrand: (1) Anlassbrand – die Schleifhitze wandelt den Oberflächenmartensit in Ferrit und Karbid um, wodurch die Oberflächenhärte um 3–8 HRC sinkt; (2) Wiederhärtungsbrand – die Schleifhitze führt zur Austenitisierung der Oberfläche und anschließendem Abschrecken, wodurch unangelassener, spröder Martensit entsteht. Dies erhöht die Oberflächenhärte, führt aber zu hohen Zugspannungen; (3) Oxidationsbrand – die Schleifhitze übersteigt 600 °C und erzeugt eine Oberflächenoxidation, die als dunkle oder regenbogenfarbene Oxidschicht sichtbar ist. Alle drei Arten von Schleifbrand erzeugen Zug-Eigenspannungen an der Oberfläche und reduzieren die Dauerfestigkeit im Vergleich zu einer fachgerecht geschliffenen Welle um 50–95 %. Schleifbrand lässt sich durch Säureätzung (sichtbar als dunkle Flecken), durch Barkhausen-Rauschanalyse oder durch Röntgenbeugungsmessung der Eigenspannungen nachweisen.
Wie wird die Eigenspannung in einer Motorwelle gemessen?
Die Eigenspannungen in einer Motorwelle werden mit vier Standardmethoden gemessen: (1) Röntgenbeugung (XRD) gemäß der ISO 3924:2018 Norm zur Bestimmung von Eigenspannungen mittels Röntgenbeugung (Querverweis auf ASTM E837) (1) Das gängigste zerstörungsfreie Verfahren misst Spannungen in Tiefen von 5–50 µm mit einer typischen Genauigkeit von ±7 bis ±35 MPa. (2) Das Bohrlochverfahren nach ASTM E837 ist ein semidestruktives Verfahren, bei dem ein kleines, 1,5–3 mm tiefes Loch durch eine Dehnungsmessstreifen-Rosette gebohrt und die entspannte Dehnung gemessen wird. Es eignet sich für Spannungen in Tiefen von 0–1 mm. (3) Das Schichtabtragverfahren ist ein zerstörendes, elektrochemisches oder chemisches Verfahren, bei dem dünne Schichten (10–50 µm) in Kombination mit einer Krümmungsmessung entfernt werden. Es liefert das Spannungsprofil unter der Oberfläche in Tiefen von 0–3 mm. (4) Die Barkhausen-Rauschanalyse ist ein zerstörungsfreies magnetisches Verfahren, das das magnetische Barkhausen-Rauschen mit den Eigenspannungen korreliert und nur für ferromagnetische Stähle geeignet ist. Die vier Verfahren decken zusammen den gesamten Tiefenbereich (von der Oberfläche bis 3 mm unter die Oberfläche) ab, der die Dauerfestigkeit beeinflusst, und bilden den Standard für die Qualitätskontrolle von ermüdungskritischen Motorwellen.
Wie sieht das typische Restspannungsprofil im Untergrund einer induktionsgehärteten und geschliffenen Welle aus 4140-Stahl aus?
Das typische Eigenspannungsprofil im Untergrund einer induktionsgehärteten und geschliffenen Welle aus 4140-Stahl ist wie folgt: (1) Oberflächenschicht (0–50 µm) – Druckeigenspannung von -200 bis -500 MPa aufgrund der durch das Schleifen hervorgerufenen plastischen Verformung und der Phasenumwandlung bei der Induktionshärtung; (2) Einsatzhärtungszone (0,5–3 mm Tiefe) – Druckeigenspannung von -300 bis -800 MPa aufgrund der Martensitbildung bei der Induktionshärtung; (3) Kernzone (unter 3 mm Tiefe) – Zugeigenspannung von +100 bis +300 MPa aufgrund der Volumenbegrenzung zwischen Einsatzhärtung und Kern während des Abschreckens. Die maximale Druckeigenspannung in der Einsatzhärtungszone ist der wichtigste Wert für die Dauerfestigkeit und wird als Auslegungswert für die Berechnung der Dauerfestigkeit verwendet. Die maximale Druckeigenspannung sollte nach dem Schleifprozess mittels Röntgenbeugung oder Bohrlochmessung überprüft werden und innerhalb des vorgegebenen Bereichs (typischerweise -400 bis -800 MPa) liegen, bevor die Welle für den Betrieb freigegeben wird. Die Lagerlebensdauer unter diesen Eigenspannungsbedingungen kann mithilfe der folgenden Formel berechnet werden: ISO 281:2007 Norm für die dynamische Tragfähigkeit und Lebensdauer von WälzlagernDie
Worin besteht der Unterschied zwischen Oberflächen- und Untergrund-Eigenspannungen bei der Vorhersage der Ermüdungslebensdauer?
Der Unterschied zwischen Oberflächen- und Untergrundeigenspannungen bei der Vorhersage der Ermüdungslebensdauer liegt in der Tiefe der maximalen Spannung, die Ermüdungsrisse auslöst. Umfangreiche Untersuchungen zur Oberflächenintegrität haben gezeigt, dass die maximale Untergrundeigenspannung (typischerweise 50–500 µm unter der Oberfläche) und nicht die Oberflächeneigenspannung die Ermüdungslebensdauer maßgeblich bestimmt. Die durch Drehen, Fräsen und Schleifen erzeugten Oberflächeneigenspannungen sind am variabelsten und am wenigsten charakteristisch für den Bearbeitungsprozess, während die maximale Untergrundeigenspannung (Zug- oder Druckspannung) mit dem Ermüdungsverhalten bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur korreliert. Für Käufer von Motorwellen bedeutet dies, dass eine einfache Röntgenbeugungsmessung an der Oberfläche nicht ausreicht. Der Käufer sollte eine Tiefenprofilmessung (typischerweise 0–500 µm in 50-µm-Schritten) anfordern, um die maximale Untergrundeigenspannung zu ermitteln. Dieser Wert sollte dann als Auslegungswert für die Berechnung der Ermüdungslebensdauer gemäß ISO 1143 (Drehbiegeermüdungsversuch) verwendet werden.
Welcher Restspannungsbereich ist für eine ermüdungskritische Motorwelle zulässig?
Der zulässige Eigenspannungsbereich für eine ermüdungskritische Motorwelle liegt typischerweise zwischen -200 und -800 MPa (Druckspannung) an der Oberfläche und in der Einsatzhärtungszone, wobei die maximale Druckspannung 50–500 µm unterhalb der Oberfläche auftritt. Oberflächeneigenspannungen über -800 MPa können auf übermäßige, schleifbedingte Kaltverformung und Mikrorissbildung hinweisen; Oberflächeneigenspannungen unter -200 MPa können auf unzureichende Einsatzhärtung oder eine unzureichende Erholung der schleifbedingten Zugspannungen hindeuten. Bei induktionsgehärteten Wellen (Einsatztiefe gemessen gemäß …) ISO 18203:2016 Norm für die Dicke gehärteter OberflächenschichtenDie Übergangszone zwischen Gehäuse und Kern (typischerweise 1,5–3 mm Tiefe) kann Zug-Eigenspannungen von +100 bis +300 MPa aufweisen. Dies ist der zu erwartende Spannungszustand aufgrund der Martensitbildung und stellt keinen Defekt dar. Der Käufer sollte das vollständige Eigenspannungsprofil (0–3 mm Tiefe) sowie den Wert der maximalen Druckspannung anfordern und die Messwerte mit den Standardprozessvorgaben des Lieferanten vergleichen, bevor er die Welle für den Einsatz freigibt.