Härte des Strahlmittels beim Verfestigungsstrahlen

Wie Strahlmittelhärte, Zähigkeit und der tatsächliche Oberflächenzustand Partikelverhalten, Prozessstabilität und Bauteilabnahme beeinflussen

Beim kontrollierten Verfestigungsstrahlen (Shot Peening) beeinflusst die Strahlmittelhärte, ob ein Partikel seine Form behält, sich plastisch verformt oder bei wiederholtem Auftreffen bricht. Sie ist keine unabhängige Maschineneinstellung und bestimmt weder Almen-Intensität noch Tiefe der Druckeigenspannungen, Bedeckungsgrad oder Ermüdungsverhalten allein. Die Auswahl folgt der maßgebenden Spezifikation und berücksichtigt Strahlmittelwerkstoff, Zähigkeit, Größe, Kornform und Dichte, die Anlage sowie die tatsächlich behandelte Oberfläche.

Abbildung 1. Die Strahlmittelhärte beeinflusst Verformung und Formbeständigkeit der Partikel, ist jedoch nur ein Teil des Auftreffsystems.

Warum ist die Härte nur ein Teil des Auftreffsystems?

Bei jedem Auftreffen werden sowohl Partikel als auch Bauteiloberfläche mechanisch beansprucht. Ihre elastische und plastische Reaktion hängt außerdem von Partikelmasse und -geschwindigkeit, Kontaktgeometrie, Ausgangsoberfläche und wiederholter Beanspruchung ab. Entscheidend ist, ob das spezifizierte Strahlmittel konform bleibt und der qualifizierte Prozess an der tatsächlichen Oberfläche das geforderte Ergebnis erzeugt.

Einflussgröße	Wesentliche Wirkung	Dadurch allein nicht belegt
Strahlmittelhärte	Widerstand gegen plastische Verformung und Beitrag zur Formbeständigkeit	Geforderte Intensität, Bedeckungsgrad, Oberflächenzustand oder Ermüdungsverhalten
Zähigkeit des Strahlmittels	Widerstand gegen Rissbildung und Bruch bei wiederholtem Auftreffen	Strahlmittelhärte oder Eignung für das Bauteil
Korngröße und Dichte	Partikelmasse, Beschleunigungsverhalten, Zugang und Anzahl der Auftreffer	Tatsächliche Geschwindigkeit oder qualifizierte Beaufschlagung
Kornform	Kontaktgeometrie, Eindrücke und Bruchverhalten	Konformität mit der vollständigen Strahlmittelspezifikation
Behandelter Oberflächenzustand	Lokaler Widerstand gegen Eindrücke und Empfindlichkeit gegenüber Schäden	Zulässige Strahlmittelart oder Prozessfenster

Tabelle 1. Die Härte ist gemeinsam mit den übrigen Strahlmittel-, Strahl- und Bauteilgrößen zu bewerten.

Welche Bauteilhärte ist maßgebend?

Die Grundwerkstoffbezeichnung beschreibt nicht immer die Oberfläche, die gestrahlt wird. Einsatzhärten, Nitrieren, Induktionshärten, Beschichtungen, vorherige Kaltverformung und lokale Wärmebehandlung können den oberflächennahen Zustand verändern. Zwei Bauteile aus derselben Nennlegierung können daher unterschiedliche Prozessentwicklungen erfordern.

Endwärmebehandlung und freigegebene Zeichnungsrevision bestätigen.
Oberflächen- oder Einsatzhärte statt ausschließlich Kernhärte oder Rohmaterialdaten verwenden.
Härtegradienten, Beschichtungen und lokal gehärtete Bereiche erfassen.
Zustand vor dem Verfestigungsstrahlen und Wirkung nachfolgender Arbeitsschritte prüfen.

Abbildung 2. Für die Härteauswahl ist der tatsächlich behandelte Oberflächenzustand maßgebend, nicht allein die Legierungsbezeichnung.

Was kann bei zu weichem metallischem Strahlmittel geschehen?

Bei schneller Verformung können sich abgeflachte, längliche oder anderweitig unzulässige Partikel im Betriebsgemisch anreichern. Dadurch verändern sich Kontaktgeometrie, Klassierverhalten, Entwicklung des Bedeckungsgrads und Stabilität des Strahlmittelstroms. Eine geringere Energieübertragung kann auftreten; im Mittelpunkt steht jedoch der Verlust des qualifizierten Strahlmittelzustands.

Zunehmende Verformung, beschleunigter Verschleiß, instabile Intensität oder schwankende Oberflächenreaktion sind Gründe für eine kontrollierte Untersuchung. Betroffene Teile sind nach dem vorgeschriebenen Reaktionsplan zu behandeln; Strahlmittel, Klassierung, Anlage, Zuführung und Bauteilzustand werden gemeinsam geprüft.

Warum ist ein härteres Strahlmittel nicht automatisch besser?

Hochharte metallische Strahlmittel können für ausgewählte harte Oberflächen geeignet sein. Eine höhere Härte kann jedoch auch Verschleiß, Bruch, Eindrücke und Oberflächentopografie verändern. Ein hartes, aber unzureichend zähes Partikel kann brechen, statt formstabil zu bleiben. Die maximal verfügbare Härte ist deshalb keine allgemeine Auswahlregel.

Eindrücke, Falten, Rauheit, Verzug und Maßrisiken sind zu bewerten, wenn sie für das Bauteil relevant sind. Die Standzeit ist im tatsächlichen Betriebsgemisch und nicht nur anhand der Lieferdokumentation zu bestätigen. Der Wechsel der Härteklasse ist eine kontrollierte Prozessänderung.

Welche SAE-Härteklassen verdeutlichen die Unterschiede?

Aktuelle SAE-Detail-Spezifikation	Von SAE bezeichnete Strahlmittelklasse	Technische Grenze
AMS2431/1G	Stahlgusskorn normaler Härte, 45–52 HRC	Die Klasse belegt keine Eignung für das Bauteil
AMS2431/2G	Stahlgusskorn hoher Härte, 55–62 HRC	Hohe Härte ersetzt keine Prozessqualifizierung
AMS2431/3F	Konditioniertes Kohlenstoffstahl-Drahtkorn normaler Härte, 45–52 HRC	Konditionierung, Größe und Kornform bleiben maßgebend
AMS2431/8D	Konditioniertes Kohlenstoffstahl-Drahtkorn hoher Härte, 55–62 HRC	Nicht mit Stahlgusskorn oder einer anderen Härteklasse austauschbar

Tabelle 2. Die aktuellen offiziellen SAE-Bezeichnungen unterscheiden Strahlmittelarten und Härteklassen. Maßgebend bleibt die vollständig aufgerufene Detail-Spezifikation.

Wie unterscheiden sich Strahlmittelhärte und Almen-Intensität?

Die Strahlmittelhärte ist eine Eigenschaft der geprüften Partikel. Die Almen-Intensität ist die standardisierte Bogenhöhenreaktion, die für eine definierte Strahlkonfiguration nach dem anwendbaren Sättigungsverfahren bestimmt oder verifiziert wird. Die Härte kann den Strahl beeinflussen, ersetzt jedoch nicht das Almen-System.

Nachweis	Dadurch belegt	Davon getrennt zu bewerten
Ergebnis der Strahlmittelhärteprüfung	Konformität der Probe mit der aufgerufenen Härteforderung	Produktionsintensität und Zustand des gesamten Betriebsgemischs
Sättigungskurve und Intensitätsverifizierung	Standardisierte Wirkung der qualifizierten Strahlkonfiguration	Bedeckungsgrad und Eigenspannungsprofil am Bauteil
Bewertung des Bedeckungsgrads	Anteil des festgelegten Bauteilbereichs, der nach freigegebener Methode als mit Auftreffspuren bedeckt bewertet wird	Strahlmittelhärte und Almen-Intensität
Oberflächenabnahme am Bauteil	Geforderte Rauheit, Schadensfreiheit, Grenzen oder Maße	Technische Bauteilleistung ohne gesonderte Validierung
Bauteilvalidierung	Anwendungsbezogene Eigenspannung, Ermüdung, SCC oder andere aufgerufene Reaktion	Serienfreigabe ohne entsprechende Forderung im Kontrollplan

Tabelle 3. Strahlmittel, Verifizierung des Strahlmittelstroms, Oberflächenabnahme und Bauteilvalidierung bilden ergänzende Nachweisebenen.

Abbildung 3. Strahlmittelhärte, Almen-Intensität, Bedeckungsgrad und Bauteilvalidierung liefern unterschiedliche Nachweise.

Lässt sich die Oberflächenrauheit aus der Härte ableiten?

Eine allgemeingültige Beziehung zwischen Härte und Rauheit ist technisch nicht belastbar. Die Oberflächentopografie hängt außerdem von Korngröße und -form, Geschwindigkeit, Winkel, Bedeckungsgrad, Beaufschlagung, Bauteilhärte, Ausgangsoberfläche und Betriebsgemisch ab. Der geforderte Oberflächenzustand ist an repräsentativen oder tatsächlichen Bauteilen unter qualifizierten Bedingungen zu bewerten.

Wie wird die Strahlmittelhärte qualifiziert und beherrscht?

Qualifizierungsstufe	Entscheidung
Anforderungsprüfung	Zulässige Strahlmittelart, Härteklasse, Abnahme und Revisionshierarchie bestätigen
Bewertung des Oberflächenzustands	Endwärmebehandlung, Oberflächen- oder Einsatzhärte, Beschichtungen und empfindliche Merkmale erfassen
Bewertung des Strahlmittels	Härte zusammen mit Zähigkeit, Größe, Kornform, Dichte und Kontaminationskontrollen bewerten
Prozessentwicklung	Anlagenkonfiguration, Sättigungskurve, Almen-Intensität und Beaufschlagung festlegen
Bauteilbewertung	Bedeckungsgrad, Oberflächenintegrität und aufgerufene Maße oder Rauheit bestätigen
Serienlenkung	Wareneingangs- und Betriebsgemischprüfungen, Ergänzung, Klassierung und Reaktionsplan definieren
Änderungskontrolle	Vorgeschriebene Freigabe vor Änderung von Strahlmittelart, Klasse, Lieferant oder qualifizierter Konfiguration einholen

Tabelle 4. Qualifiziert wird das Gesamtsystem und nicht ein isolierter Härtewert.

Häufig gestellte Fragen

Muss das Strahlmittel immer härter als das Bauteil sein?

Nein. Es gibt kein allgemeingültiges Härteverhältnis für alle Prozesse. Maßgebend sind die zulässige Strahlmittelklasse und die Qualifizierung des Gesamtprozesses an der tatsächlich behandelten Oberfläche.

Erzeugt ein härteres Strahlmittel eine höhere Almen-Intensität?

Nicht allein. Die Härte kann die Partikelverformung verändern; die Intensität hängt außerdem von Werkstoff, Größe, Dichte, Geschwindigkeit, Massenstrom, Winkel, Anlage und Betriebsgemisch ab.

Erzeugt ein härteres Strahlmittel immer eine rauere Oberfläche?

Nein. Die Oberfläche hängt auch von Größe, Kornform, Geschwindigkeit, Winkel, Bedeckungsgrad, Beaufschlagung, Bauteilhärte, Ausgangsoberfläche und Betriebsgemisch ab.

Welche Bauteilhärte ist zu berücksichtigen?

Maßgebend ist die tatsächlich behandelte Oberfläche. Einsatzhärten, Nitrieren, Induktionshärten, Beschichtungen, Kaltverformung und lokale Wärmebehandlung können Kern- oder Rohmaterialdaten unzutreffend machen.

Qualifiziert ein Liefernachweis das Betriebsgemisch?

Nein. Er unterstützt die Lieferlosannahme. Umlaufendes Strahlmittel kann verschleißen, sich verformen, brechen oder sich mit älteren Partikeln mischen und benötigt daher die vorgeschriebenen Betriebskontrollen.

Welche Härteangaben gehören in eine Angebotsanfrage?

Anzugeben sind Zeichnung, Bauteilwerkstoff und Endwärmebehandlung, behandelter Oberflächenzustand, aufgerufene Strahlmittelspezifikation und Härteklasse, Intensität, Bedeckungsgrad, Oberflächengrenzen, Mengen und Aufzeichnungen.

Die wichtigsten Punkte

Die Auswahl richtet sich nach der behandelten Oberfläche und nicht nur nach der Legierungsbezeichnung.
Härte wird gemeinsam mit Zähigkeit, Werkstoff, Größe, Kornform und Dichte bewertet.
Zulässig sind nur die in den kontrollierten Anforderungen freigegebenen Strahlmittelarten und Härteklassen.
Strahlmittelhärte, Almen-Intensität, Bedeckungsgrad und Bauteilvalidierung bleiben getrennt.
Lieferlos und Betriebsgemisch benötigen jeweils angemessene Kontrollen.

Weiterführende Leitfäden von SP Center

Technische Quellen

1. SAE AMS2431E: Peening Media, General Requirements, revised April 2023

2. SAE AMS2431/1G, Peening Media (ASR) Cast Steel Shot, Regular Hardness (45 to 52 HRC)

3. SAE AMS2431/2G, Peening Media (ASH) Cast Steel Shot, High Hardness (55 to 62 HRC)

4. SAE AMS2431/3F, Peening Media Conditioned Carbon Steel Cut Wire Shot, Regular Hardness (45 to 52 HRC)

5. SAE AMS2431/8D, Peening Media Conditioned Carbon Steel Cut Wire Shot, High Hardness (55 to 62 HRC)

Hinweis zu Normen: Maßgebend sind die vollständigen Spezifikationen und Revisionen aus Zeichnung, Vertrag und Kundenvorgaben. Eine Beschaffungsspezifikation für Strahlmittel ist keine Prozessanweisung für das Bauteil.

Autor: Paweł Kmieć

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