Tagungsband zum 1. Pforzheimer Werkstofftag: 12. September 2012, Hochschule Pforzheim

Jost, Norbert (Ed.); Klink, Roman (Ed.) Proceedings Tagungsband zum 1. Pforzheimer Werkstofftag: 12. September 2012, Hochschule Pforzheim Beiträge der Hochschule Pforzheim, No. 144 Provided in Cooperation with: Hochschule Pforzheim Suggested Citation: Jost, Norbert (Ed.); Klink, Roman (Ed.) (2012) : Tagungsband zum 1. Pforzheimer Werkstofftag: 12. September 2012, Hochschule Pforzheim, Beiträge der Hochschule Pforzheim, No. 144, Hochschule Pforzheim, Pforzheim, https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:951-opus-1186 This Version is available at: https://hdl.handle.net/10419/97606 Standard-Nutzungsbedingungen: Die Dokumente auf EconStor dürfen zu eigenen wissenschaftlichen Zwecken und zum Privatgebrauch gespeichert und kopiert werden. Sie dürfen die Dokumente nicht für öffentliche oder kommerzielle Zwecke vervielfältigen, öffentlich ausstellen, öffentlich zugänglich machen, vertreiben oder anderweitig nutzen. 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Pforzheimer Werkstofftag 2012 i Inhalt Vorwort der Herausgeber ................................................................................... 1! Reiner Müller! Vorstellung der Cluster-Initiative „Hochform“ ...................................................... 5! Tilo Gödecke! Schadensuntersuchungen an metallischen Werkstoffen - Vorgehensweise, Einteilung nach Schadensursachen und Beispiele ........................................... 11! Roman Klink! Möglichkeiten und Grenzen materialkundlicher Untersuchungsverfahren für die Werkstoffcharakterisierung ............................................................................... 53! Andreas Zilly, Norbert Jost! Kupfer-Forschung am Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien ........ 89! Bernd Nonnenmacher! Microguss – vom Prototyp bis zur Großserie .................................................. 113! Werner Morgenthaler, Stephan Göttlicher! „Kurzvorstellung der Clusterinitiativen der Region Nordschwarzwald sowie der wichtigsten öffentlichen F+E Zuschussprogramme für KMUs“ ....................... 117! Daniel Carmine Manocchio! Aushärtbare korrosionsbeständige Chromstähle ............................................ 127! Daniel Wyn Müller, Alexander Martin Matz, Norbert Jost! Offenporige Metallschäume – Eigenschaften und mögliche Anwendungen ... 145! ii 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Prof. Dr.-Ing. Werner Homberg, Dipl.-Ing. Benjamin Lossen! Reib-Drücken – ein innovativer Ansatz zur effizienten Herstellung von funktional gradierten Bauteilen aus Aluminium- und Stahlwerkstoffen ............................ 173! Gerd Kientopf! Kostenoptimierung durch geeignete Stahlauswahl für Werkzeuge ................. 187! 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 1 Vorwort der Herausgeber Der hohe Stellenwert von Werkstoffen wird in einem aktuellen Leitartikel von Daniel Wetzel mit dem Titel „Heißer Herbst voraus“ in der Welt vom 08.08.2012 auf prägnante Weise deutlich gemacht: „Unsere Maschinenbauer, die Automobilhersteller und die deutsche Elektroindustrie sind weltweit führend, weil die Ingenieure und Fachkräfte in den Betrieben eine außergewöhnlich hohe Kenntnis von den Eigenschaften und Fähigkeiten ihrer Werkstoffe haben." Genau dies hat auch in Pforzheim und der Region Nordschwarzwald eine lange und fachlich tiefgründige Tradition. Heute stellt sich die Region als ein Innovationszentrum der Hochpräzisions-Metallbearbeitung, insbesondere der Stanz- und Räumtechnik in Deutschland dar. Der ausgezeichnete Ruf der Kontaktwerkstoff herstellenden und verarbeitenden Unternehmen sucht seinesgleichen. Vor diesem Hintergrund gilt die Hochschule Pforzheim mit ihrem Portfolio und ihren Fachlaboren und Instituten als verlässlicher Partner der Unternehmen. Durch zahlreiche Auftragsforschungs- und Kooperationsprojekte (diese mit erfreulich zunehmender Tendenz) konnte bereits ein enges, dauerhaftes und vor allem erfolgreiches Netzwerk mit vielen Unternehmen geknüpft werden. Diese insgesamt sehr erfreuliche Entwicklung wird nun erstmals mit dem „Pforzheimer Werkstofftag“ noch untermauert. Die vom Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien (IWWT) als eintägige Veranstaltung konzipierte Tagung an der Hochschule Pforzheim begleitet damit ganz bewusst auch die erfolgreichen Netzwerke wie Hochform oder Innonet und möchte so zu ihrer stetigen Optimierung beitragen. Auch wenn sich die Organisatoren einer Tagung wie dem Pforzheimer Werkstofftag noch so sehr bemühen; der Erfolg einer solchen Veranstaltung wird letztendlich ganz wesentlich durch die Teilnehmer und die Vortragenden bestimmt. Allen sei hiermit herzlich gedankt. In ebensolcher Weise gebührt aber 2 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 auch den vielen hier Ungenannten hinter den Kulissen, die an der Vorbereitung und Durchführung des 1. Pforzheimer Werkstofftages so tatkräftig mitgewirkt haben, ein Riesendank. Die Veranstalter hoffen, dass dieser hier vorliegende Tagungsband nicht nur als persönliche Erinnerung an den 1. Pforzheimer Werkstofftag, sondern auch als wertvoller fachlicher Beitrag zu den in den Vorträgen behandelten Gebieten aufgenommen wird und entsprechende Verbreitung findet. Gleichzeitig möge er zum Besuch der zukünftigen Pforzheimer Werkstofftage, die in einem jährlichen Rhythmus stattfinden sollen, anregen. Pforzheim, im September 2012 Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost Roman Klink Die Tagung und die Fertigstellung dieses Tagungsbandes wurde von der Wirtschaft und Stadtmarketing Pforzheim (WSP GmbH) mit der Clusterinitiative „Hochform“ aktiv und finanziell unterstützt. Weitere Kooperationspartner sind die IHK Nordschwarzwald, die Handwerkskammer Karlsruhe, die Wirtschaftsförderung Nordschwarzwald GmbH sowie die Arthur Klink GmbH. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 3 4 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 11 Tilo Gödecke (Max-Planck-Institut für Metallforschung i.R.) / Stuttgart Schadensuntersuchungen an metallischen Werkstoffen - Vorgehensweise, Einteilung nach Schadensursachen und Beispiele 12 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Tilo Gödecke 1953: Berufsausbildung zum Mechaniker 1961: Technikerausbildung für Stanz-Zieh-und Oberflächentechnik 1961: Technischer Assistent am Max-Planck Institut für Metallforschung 1966: 1. Publikation über das Dreistoffsystem AI-Mn-Cu 1967: Abschlussprüfung Metallographie 1974: Assistent bei der Vorlesung „Heterogene Gleichgewichte“ an der Universität Stuttgart 1980: Lehrer am Berufskolleg für Metallographie: „Konstitution/Schweißen“ und „Löten/Schadensanalysen“ 1983: Fortbildungspraktikum "Metallkundliche-technologische Analysen Schweißtechnischer Probleme" 1985: Fortbildung "Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle" Ermatingen/Schweiz. seit 1990: Dozent an der Technischen Akademie Esslingen. Kurs: Metallographische Untersuchungsmethoden, Teil E; Schadensfalluntersuchungen. Vorträge: "Schäden durch Korrosion". "Untersuchung von Schadensfällen" mit Praktikum. 2000: Werner- Köster-Preis für die Aufsatzreihe „Phase Equilibria of Cu-ln-Se2“, Zeitschrift für Metallkunde 91 (2000) 8, 622-662. Ehrungen: 1. Preis für das Bild "Multifaceted Void in Icosahedral AIMnPd" beim "Contest of the Quasicrystal and Photo Exhibition" anlässlich der 7. Internationalen Tagung über Quasikristalle von 1966 bis 2001: 87 wissenschaftliche Publikationen. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 13 Schadensuntersuchungen: Wozu ?  Die Schadensuntersuchung soll dem Auftraggeber, z.B. dem Anlagenbetreiber, -hersteller, Versicherer, Geschädigten, Ordnungsbehörde möglichst rasch und kostengünstig die Schadensursache nennen. Rasch: Warum?  Rasch, weil z.B. die Anlage unter Berücksichtigung der Schadensursache repariert werden und wieder produzieren soll. Rasch aber auch, weil aus der Schadensursache im Allgemeinen auf den Verursacher und auf den für die finanzielle Entschädigung Verantwortlichen geschlossen werden. Kostengünstig:  Kostengünstig, weil im Allgemeinen das Geld für eine eingehende Schadensuntersuchung nur „ungern“ erübrigt wird. Bleibt die Ursache unbekannt, ist mit einiger Sicherheit anzunehmen, dass sich der Schaden wiederholt.  Die Ermittlung der Schadensursache ist daher unerlässlich.  Begonnen hat die Schadenanalyse mit den organoleptischen Verfahren durch Anwendung der fünf Sinne: Fühlen, Sehen, Riechen, Hören und Schmecken. Beispiele für die „fünf Sinne“: • Sichtprüfung auf Deformation, Riss, Korrosion, Bruch, Aufrauhung etc. • Fühlen z.B. von Riss, Wärme, Feuchte, Lockerung, Schwingungen • Klangprüfung auf Riss (Porzellan, Gussstück, Glocke) Laufruhe etc. • Riechen von Brand, Produkt etc. • Schmecken von Salz, Säure etc. 14 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Aufbauend auf der Schadensuntersuchung entscheidet der Betreiber, der Hersteller oder der Versicherer über die Art der Reparatur, über einen evtl. weitgehenden Neubau bzw. Neukonstruktion, über die Verschrottung, über zukünftige Schadensverhütung, über Regress, Haftpflichtfragen einschließlich Rückruf und evtl. Entschädigungen für Personen-, Sach- oder Umweltschäden (Abb. 1). Schäden stoßen auch wissenschaftliche Untersuchungen an und führen so zu neuen Werkstoffen, Wärmebehandlungen, Konstruktionen, Prüfmethoden. Abbildung 1 Nutzen der Schadensanalyse  Klärt den Schaden Verbessert das Produkt  Schützt den Menschen Schont Ressourcen / Umwelt  Verbessert Verfügbarkeit Mindert volkswirtschaftliche Verluste  Vermindert Imageverlust Vermeidet Folgeschaden  Verbessert Risikoakzeptanz Klärt Haftungsfragen Häufigkeit von Schadensfällen? Abbildung 2a Beispiel: Badewanne 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 15 Abbildung 2b Ausfallrate von Bauteilen, Maschinen, Anlagen über die Betriebszeit Nach diesem Zeitabschnitt der „Kinderkrankheiten“ oder Frühausfällen sinkt die Ausfallratebei einer durchdachten Konstruktion auf moderate tolerierbare Werte. Es ereignen sich Zufallsausfälle. Nähert sich das Alter eines Bauteils oder einer Anlage dem Ende der durchschnittlichen Lebenserwartung, nimmt die Zahl der Ausfälle zu. Warum nehmen die Ausfälle mit zunehmendem Alter der Anlage zu? Gründe: Verschleiß trägt Oberflächenschichten ab. Folge: Kann Rissbildung einleiten und Schwingbrüche fördern Auch nachlässiger Umgang kann Ausfallrate ansteigen lassen Abhilfe: Gut durchdachte Instandhaltung Aus Erfahrung und Literatur hat der sachkundige nach längerer Tätigkeit in der Schadensanalytik umfangreiches Wissen und Gespür erworben, welche das Ziel, die Klärung der Schadenursache im Allgemeinen zügig erreichen helfen. 16 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Um erfolgreich Schäden zu klären, ist grundsätzlich eine mehrjährige Tätigkeit in der Konstruktion, Produktion oder Qualitätskontrolle hilfreich. Hier passieren Fehler die zu Schäden führen, hier haben sie teilweise ihren Ursprung. Einer der wichtigsten Werkstoffe ist das Metall. Der Brückenbauer, der Maschinenbauer, der Autobauer, der Elektrotechniker und andere mehr sind auf den metallischen Werkstoff angewiesen. Welches dieser auseinanderliegenden Gebiete wir auch herausgreifen, der Konstrukteur steht stets vor den gleichen Fragen, die da wie folgt lauten: Welches ist die für den jeweiligen Zweck geeignete Legierung? Welches Fertigungsverfahren kann oder muss zur Herstellung eines Konstruktionsteiles verwendet werden und auf welche Eigenheiten der Legierung ist bei der Gestaltung Rücksicht zu nehmen? Für eine große Anzahl von Legierungen wie z.B. Stähle, Gusseisen, Bronze, Messing, Rotguss, Al-Legierungen oder Lagermetalle sind bestimmte Festigkeitswerte, Wärmebehandlungen oder bestimmte Zusammensetzungen vereinbart worden, damit der Konstrukteur in ihrer Güte erprobte Werkstoffe auswählen kann (z.B. Stahlschlüssel). Was ist unbedingt zu beachten: Jede Bearbeitungsmaßnahme, wie z.B. Schmieden, Pressen, spanlose-und spanabhebende Formgebung, Schweißen oder Löten stellt einen Eingriff in den Zustand des Werkstoffs dar, den man nur vornehmen kann und sollte, wenn man z.B. sein Fließverhalten und die Veränderungen im Gefüge kennt, sonst treten Fehler auf, die sich im Gebrauch verhängnisvoll auswirken können. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 17 Von der Planung bis zur Fertigung und Inbetriebnahme einer Anlage zeigt ein Ablaufschema in Abbildung 3. Abbildung 3 Ablauf einer Fertigung von der Idee / Zielvorgabe bis zum Projekt im Einsatz und zur Außerdienststellung Schadensklärung führt zu Schadensverhütung und vermeidet bei konsequenter Umsetzung den nächsten Schaden. Es gilt zu optimieren:  die Produktqualität, die Kosten der Produktion, der sorgsame Umgang mit der Umwelt und den Rohstoffen, die Sicherheit für den Menschen, die Probleme aus Haftungsverpflichtungen und die kontinuierliche Lieferfähigkeit,  die Lebensdauerkosten sind zu minimieren 18 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 4 Ablauf einer Schadensanalyse 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 19 Vorgehensweise bei einer Schadensuntersuchung:  Datenaufnahme und Foto-Dokumentation einschließlich makroskopischer Begutachtung  Bei Bedarf sind unterschiedliche Verfahren der zerstörungsfreien Prüfungen anzuwenden.  Schonende Entnahme von Belägen, Flüssigkeiten und Feststoffproben  Bruchflächen niemals mit den Fingern anfassen. Bruchhälften nicht zusammenfügen  Entnahmestelle nicht durch Schneidöle, Wasser o. Ä. verändern, Wärmeeinbringen begrenzen  Möglichst alle Bruchflächen sichern, Proben eindeutig kennzeichnen, Proben sauber und trocken verwahren (Exsikkator, Sprühlack, Beutel mit Trockenmittel)  Untersuchung von Proben visuell, im Licht- und /oder Rasterelektronenmikroskop [1] (metallographische bzw. materialographische Methoden)  Bestimmung der Zusammensetzung der beteiligten Werkstoffe, Hilfs- und Betriebsstoffe mit chemischen und physikalischen Verfahren prüfen  Die zweckdienlichsten Verfahren der Werkstoffprüfung z.B. zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften und des Wärmebehandlungszustands.  In manchen Fällen erweitert der Bearbeiter der Schadensuntersuchung um Festigkeitsberechnungen (FEM-Verfahren).  Zusätzlich betrachtet der Bearbeiter im Bedarfsfall chemische Einwirkungen, falls nicht auszuschließen ist, dass bei dem Schadengeschehen chemische oder korrosive Vorgänge mitwirken. Die richtige Vorgehensweise zeigt die Literatur, z.B. [2] und [3].  Für die Bezeichnung / Einteilung der Risse und Brüche empfiehlt sich das Stahl-Eisen-Prüfblatt 1100 von 1992 anzuwenden. (Abb. 6)  Reproduzierende Versuche erhärten das Ergebnis, oder auch nicht: Dann ist eventuell die herausgefundene Ursache falsch. Die Ergebnisse der Untersuchungen am Schadensteil (Ist-Werte) vergleicht der Experte mit den ursprünglich bei der Konstruktion beabsichtigten Eigenschaften (Soll-Werte, z.B. Werte aus Normen, Regelwerken, Publikationen). Der Katalog der abzuarbeitenden Aufgaben verringert sich je nach Schwierigkeitsgrad bzw. 20 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Bedeutung, wenn z.B. Menschen gefährdet sind oder waren, der Schaden beträchtlich oder die Ursache unter den Beteiligten strittig ist. Für den Auftraggeber, wie für den Bearbeiter ist es hilfreich, Maßnahmen herauszufinden und zu empfehlen, welche die Wiederholung mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit verhindern. Die Schaden- und Untersuchungsberichte sind einmal durch eine spezielle Registriernummer, ihren Titel, Auftraggeber, Bearbeiter und Bearbeitungsdatum gekennzeichnet. Für die Ablage ist die Angabe von Stichworten sinnvoll. Die Stichworte gestatten es dem Sachkundigen abgearbeitete Berichte nach ihrem Inhalt zu kennzeichnen und wieder herauszufinden. Die Stichworte sortiert der Stichwortgeber sinnvollerweise von allgemeinen, auch dem Amateur bekannten Begriffen fortschreitend zu mehrdetaillierten Begriffen, die häufig bevorzugt dem Fachmann etwas bedeuten.  Auch soll der Bearbeiter zwischen der eindeutigen Schadensursache und der mehrdeutigen Schadenserscheinung trennen, wie Abb. 5 vorschlägt. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 27 Abbildung 8a und b a: Gabelschlüssel gebrochen Bruchstelle (A) b: Duktiler Gewaltbruch mit Waben V= 1000 : 1 Abbildung 9a und b a: Radschraube gebrochen b: Duktiler Gewaltbruch mit Scherwaben Beachte: Einschnürung am Bruch der Radschraube erkennbar. Beispiele: Spröde Form der Gewaltbrüche [5] a b a b 28 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 10a und b a: Lagerzapfen gebrochen (Makro) b: (REM-Bild) Trenn –oder Spaltbruch; Spaltflächen; V=500:1; Flussmarken (rivers patters), helle Linien. Abbildung 11a und b a: Schraubendreher gebrochen (Makro) b: (REM-Bild) Mischbruch. Waben und Spaltflächen; V=1000:1 b a a b 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 29 Schwingbruch Der Schwingbruch entwickelt sich unter mechanischen Beanspruchungen, die nach Betrag oder Richtung wechseln. Dabei wächst ein Schwingriss ausgehend von einem oder mehreren Anrissen allmählich in das Bauteil hinein, bis der noch tragende Restquerschnitt infolge der ständig gestiegenen Spannung durch Gewaltbruch versagt (Restbruch).  Häufig sind visuell auf der Schwingrissebene Rastlinien zu erkennen (Abb. 12).  Aus dem Verlauf und Anordnung dieser Linien kann auf die Belastungsart 1 bzw. auf den Rissausgang geschlossen werden.  Auf der Bruchfläche eines Schwingbruches bilden sich aufgrund der mikroplastischen Verformung senkrecht zur lokalen Ausbreitungsrichtung charakteristische Schwingungsstreifen aus (Abb. 14) Abbildung 12 Schematisch 1 Belastungsarten: z.B. Einseitige Biegung, doppelseitige Biegung, umlaufende Biegung, Torsionsbelastung (45° wendelförmig); [4] 30 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 13 (Real) Gangschalthebel. (doppelseitige Biegung); Schwingrissebenen mit Rastlinien rechts und links; Restbruch grobstrukturiert in der Mitte; Außen umlaufender Spitzkerb (Gewinde). Abbildung 14 Schwingungsstreifen innerhalb eines Schwingrisses (REM). V=1000:1 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 31  Beachte: Schwingungsstreifen sind nur im Rasterelektronenmikroskop (REM) zu sehen.  Dagegen können Rastlinien mit bloßem Auge erkannt werden. Abbildung 15 Fahrradspeiche durch einseitige Biegebeanspruchung vom Spitzkerb (Gewinde) ausgehend (Bild unten) gebrochen; sehr kleiner Restbruch (oben); Rastlinien (helle Streifen) deutlich erkennbar 32 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 16a und b a: Befestigungsschraube eines Bohrhammers gebrochen b: Schwingbruch verursacht durch eine umlaufende Biegebeanspruchung an einer Befestigungsschraube. Restbruchfläche (dunkel, unten links) umgeben von Rastlinien Wie entstehen Schwingrisse?  Beim Schwingriss beginnt der Anriss häufig an einer oder mehreren Stellen höchster Spannungskonzentration an der Oberfläche.  Bei Werkstoffinhomogenitäten kann der Anriss auch unterhalb der Oberfläche beginnen.  Steifigkeitssprünge und Oberflächenfehler sind Ausgangsstellen der Schwingrisse. Steifigkeitssprünge: Meist schroffe Querschnittsveränderungen, auch als konstruktive Kerben bezeichnet, wie z.B.:  Wellenabsätze, Bohrungen, Gewinde, Hohlkehlen, Nuten, Einstiche. b a 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 33 Oberflächenfehler und Beschädigungen: z.B.  Drehriefen, Schleifriefen, Schlagstellen, Überwalzungen, Doppelungen, Risse durch fehlerhaftes Sandstrahlen, Einpressungen aller Art, Korrosionsnarben, Walz-und Schmiedezunder, Einschlüsse aller Art, Schweißinhomogenitäten (Poren, Bindefehler, Einbrandkerben), entkohlte Randzonen. Phasen mit geringer Schwingfestigkeit (δ−Ferrit). Abbildung 17 Schwingriss an einer Kurbelwelle von einer Hohlkehle ausgehend (s. Konstruktion und Flammhärtung von Hohlkehlen [6]) 34 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 18a bis d Schwingbruch einer Fahrradachse durch Fehler bei Einsatzhärten 2 verursacht a: Makroaufnahme der Achse, Zwei Schwingrissflächen b: Ausbrüche an der Lagerfläche c: Lokaler Gefügefehler zu erkennen d: Vergrößerter Ausschnitt, „Weichhaut“ 2 Einsatzhärten: Bei Einsatzhärten wird die Randschicht eines kohlenstoffarmen Stahles mit Kohlenstoff angereichert und anschließend gehärtet. Das Aufkohlen erfolgt durch Glühen der Werkstücke in kohlenstoffabgebenden Einsatzmittel (Pulver, Gas, Salze). b c d a 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 35 Primär-Fehler:  Lokale Weichfleckigkeit an der Lageroberfläche. Kennzeichen im Gefüge Troostit (dunkel) und Härteabfall. Folge-Fehler  Schwingbruch, ausgelöst durch lokale Gefügeinhomogenitäten.  Ohne Gefügeuntersuchungen hätte die Bruchursache der Fahrradachse nicht erklärt werden können. Korrosionsbedingte Risse und Brüche Interkristalline Korrosion (IK) Interkristalline Spannungsrisskorrosion (ISpRK) Transkristalline Spannungsrisskorrosion (TSpRK) Wasserstoffinduzierten Risse und Brüche Schwingrisskorrosion (SwRK) Was ist Korrosion? Korrosion ist eine von der Oberfläche eines metallischen Bauteils ausgehende, örtlich begrenzte Zerstörung durch chemischen Angriff ohne oder mit mechanischer Beanspruchung.  Korrosive Beanspruchungen durch wässrige Medien sind elektrochemischer Natur; d.h. es liegt ein Wechselspiel von anodischen und kathodischen Prozessen vor. 36 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Neben den Eigenschaften des angreifenden Mediums wird der Korrosionsangriff auch durch werkstoffseitige Parameter und durch vorliegende Spannungen bestimmt.  Durch den Einsatz thermischen Fügeverfahren und hierdurch bedingten Werkstoffveränderungen ergeben sich weitere Einflussgrößen (Eigenspannungen, Gefügeveränderungen). Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass Werkstoffschädigungen durch Korrosion häufig bevorzugt in Schweißnahtnähe liegen. Abbildung 19 Erscheinungsbilder verschiedener Korrosionsarten an Schweißverbindungen 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 43 Beispiel einer Oberflächenschädigung durch Elektroschreiber [5]: In einem Ausbildungsbetrieb für Mechaniker wurden an Lehrlinge Bohrer, Fräser und Werkzeuge in eigener Verantwortung verteilt. Bei einem Auszubildenden brachen ungewöhnlich viele Fräser während der Fräsarbeit ab. Meister und Lehrling glaubten zuerst an mangelnde Werkzeugqualität, bis sich herausstellte, dass der Auszubildende namens „Otto“ an sämtliche Schaftflächen der Fräser und Bohrer seinen Vornamen mit einem Elektroschreiber einschrieb und so seine Fräser sichern wollte.  Eine metallographische Untersuchung sollte klären, ob der kleine Lichtbogen eines Elektroschreibers auf der Werkzeugoberfläche Gefügeveränderungen verursacht, die eventuell bruchfördernd wirken können.  Ein Fräser wurde so deshalb so getrennt, dass der Trennschnitt senkrecht durch ein „O“ verlief. Abb. 26 zeigt das Ergebnis der Untersuchung: Trennung beim O O T T O 44 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 26 Einfluss eines Elektroschreibers auf das Gefüge an Oberflächen von Werkzeugen. V=150:1; geätzt. [5] Schadensursache: Wie aus Abb. 26 hervorgeht, erfolgt an der Oberfläche infolge der Erwärmung durch den Lichtbogen des Elektroschreibers eine lokale Anschmelzung mit Lunkerbildung sowie eine Neuhärtung (hell).  Solche „Zündstellen“ bedingen Gefügeveränderungen und sind Sollbruchstellen und Ausgangsstellen für Schwingbrüche. Härteverzug und Härterisse: Schroff abgeschreckte Werkstücke weisen Maß-und Formänderungen, den sogenannten Härteverzug, oder gar Härterisse auf. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 45 (Bem. Außer Wasser gibt es noch andere Abschreckmedien.) Der Härteverzug und Rissbildung geschieht in 2 Phasen: (Abb. 27 b) • Beim Eintauchen in das Abschreckmittel erkaltet die Randzone sehr schnell und verkürzt sich dadurch (1.Phase) • Der noch heiße Kern hat noch seine ursprüngliche Größe und behindert das Schrumpfen der Randzone). • Es kommt zu Verspannungen und Risse am Umfang. • Im weiteren Verlauf kühlt dann auch der Kern ab und will ebenfalls schrumpfen (2. Phase). • Jetzt wird er von der starren vorher erkalteten Randzone an der Schrumpfung behindert. • Es entstehen Verspannungen und Risse zwischen Kern und Randzone. • Zusätzlich kommt es zu Verspannungen, weil die Martensitbildung ein um 1% größeres Volumen als der Ferrit hat. 46 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 27a und b Lage und Entstehung von Härteverzug und Härterisse: a: Real, b: Schematisch Beispiele von Mikro-und Makrohärterisse [5]: Abbildung 28 Härtemikrorisse. V=500:1. b a 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 47 Abbildung 29 Makrorisse an einer Rundwelle. V= 1:2 Abbildung 30 Abplatzen einer Randzone nach dem Härten. Verursacht durch Spannungsspitzen bei der Schrumpfung am Übergang vom dünnen zum dickeren Teil [5] Lötbruch: Lötbruch ist die interkristalline Trennung zugbeanspruchter oder zugeigenspannungsbehafteter Werkstoffe durch eindiffundierende flüssige Metalle oder Legierungen. Diffusion der flüssigen Metalllegierungen erfolgt entlang den Korngrenzen. Z.B. Wellen in heißlaufende Lagerschalen können auch durch „Lötrissigkeit“ (Lötbruch) geschädigt werden. [8] 48 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 31 Lötbrüchigkeit. (Flüssiges Lot zerstört von der Oberfläche ausgehend interkristallin den Grundwerkstoff entlang der Korngrenzen, wenn dieser nicht frei von Zugspannungen ist [7] / [8]) Goldene Regeln“ der Schadensfalluntersuchungen Die einfachste Lösung ist oft die Beste 1. Es ist viel schlechter und gefährlicher eine falsche Erklärung anzubieten als überhaupt keine zu haben. 2. Kleine, oft zu unwichtig erscheinende Details führen vielfach zu wesentlichen Erkenntnissen. 3. Die eleganteste Theorie nützt zur Erklärung des Schadens wenig, wenn sie nicht mit den beobachteten Details in allen Punkten übereinstimmen. 4. Risse werden weder kleiner noch verschwinden sie. 5. Nicht selten liegen mehrere Schadensursachen vor. Meistens treffen mehrere ungünstige Faktoren zusammen, deshalb ist man gut beraten, nicht den ersten gefundenen Fehler als schadensauslösende Ursache anzusehen. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 49 Schlussbemerkung  Die Werkzeuge der Schadenanalyse im Maschinenbau auf der Grundlage der Werkstoffwissenschaften sind vielweitig: Aus der Vielzahl der Möglichkeiten sind die in ausreichender Zahl auszuwählen, welche am Ende ein eindeutiges Ergebnis liefern  Ist ein Großschaden eingetreten, alle Fakten in die Öffentlichkeit kommunizieren.  Verknappung von Ressourcen, Zwang zu hoher Anlagenverfügbarkeit, Minimierung der Lebensdauerkosten und wachsendes Sicherheitsbedürfnis fördern die Notwendigkeit von Schadensforschung und - vorbeugung. Größtmögliche Publizität für Ergebnisse von Schadenuntersuchungen und daraus abgeleitete Verhütungmaßnahmen und Verbesserungen tragen dem Rechnung. Schadensfördernd hat sich bei technischen Anlagen herausgestellt, dass vermehrt aus Kostengründen seitens der Hersteller und Besteller der Sprung vom Reißbrett unmittelbar in die Großanlage erfolgt unter Umgehung der Pilotanlage. Auch Vergabe von Aufträgen an ungeeignete Firmen im Ausland kann Schäden begünstigen. Ziel ist die Nutzung der Technik bei größtmöglicher Sicherheit für das Individuum, die Gesellschaft und die Umwelt. Dass dieses Ziel unerreichbar bleibt, dafür sorgt fast ausschließlich die Unzulänglichkeit des Menschen. In der Hand des weniger Verantwotungsbewussten kann auch die gute Idee zu einer gefährlichen Waffe werden, siehe Tschernobyl 1986 und Fukushima 2011. Ursache der meisten Schäden sind Fehler bei der Werkstoffwahl, Konstruktion oder dem Betrieb. Nur in einer Minderzahl von Schäden ist eine Kombination von Fehlerursachen festzustellen. 50 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Zusammenhang von Kosten und Risiken zeigt Abb. 32. Abbildung 32 Zusammenhang von Kosten und Schadenhäufigkeit Schadensfalllösung in Zukunft Formgedächtnislegierungen 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 51 Literatur [1] H. Trenkler: Anwendung des Rasterelektronenmikroskopes bei Eisen- und Stahlwerkstoffen; Radex-Rundschau (1978) 575 /875. [2] L. Engel und H. Klingele: Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von Metallschäden; Carl Hanser Verlag München Wien 2. Aufl. 1982. [3] VDI-Richtlinie 3822, Teile 1 bis 6 vom Verein Deutscher Ingenieure; VDI- Gesellschaft Werkstofftechnik, Ausschuss Schadenanalyse. [4] G. Lange: Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle; DGM- Informationsgesellschaft Verlag; 4. Auflage (2001). [5] T. Gödecke: Metallographische Untersuchungsmethoden, Teil E; Schadensfalluntersuchungen - Tendenzen in der Entwicklung und Untersuchungen von Werkstoffen / Praktikum zur Schadensfalluntersuchung. Technische Akademie Esslingen; Ostfildern – Nellingen; An der Akademie 5. [5] H.-W. Grönegress : Einfluss der Werkstückform auf die Wahl des Härteverfahrens bei Flamm-und Induktionshärten; Härterei–Techn. Mitt.; 18 (1963) Heft 2; S 91. [6] F.K. Naumann: Das Buch der Schadensfälle; Dr. Riederer Verlag (1967). [7] E. Kauczor: Schäden in Fertigung und Betrieb; Band 10; Metallographie in der Schadensuntersuchung; Springer Verlag Berlin-Heidelberg - New York (1979) 52 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 59 instrumentierten Härteprüfung werden die Prüfkräfte elektronisch geregelt. Für alle Härteprüfverfahren gilt je kleiner die Prüflast, desto sauberer und verformungsfreier muss die Oberfläche sein. Grundsätzlich ist bei jedem Prüfverfahren eine Oberflächenvorbehandlung nötig, die mindestens in der jeweils geltenden Norm beschrieben ist. 2.1.1 Härteprüfung nach Vickers Die Härteprüfung nach Vickers ist das gebräuchlichste und universellste Prüfverfahren. Mit ihr werden die meisten Prüfaufgaben von sehr weichen Materialien wie Blei und sehr harten wie den Hartmetallen abgedeckt. Unter Angabe der Prüfkraft wird hier die Diagonale eines Vickershärteeindrucks vermessen und aus der daraus resultierenden Fläche die Eindringtiefe bzw. direkt nach der Formel HV = 0,102*F/A = 0,189*F/d² der HV Wert ermittel. Als Eindrinkörper dient eine gleichseitige Diamantpyramide mit 136° Öffnungswinkel, Abbildung 1. Am gängigsten sind bei der Vickerprüfung die Verfahren HV30, HV10, HV1 und HV0,1 wobei HV 1 und 0,1 Mikrohärtemessungen meist nur im Labor bei der Härteprüfung an metallographischen Anschliffen, wie Beispielsweise der Härteverlaufsprüfung an wärmebehandelten Teilen oder Härteprüfung an sehr sauberen und dünnen Oberflächenschichten zum Einsatz kommen. Neben der Härteprüfung mit der Vickerspyramide wird in Sonderfällen, v.a. bei dünnen Schichten, wie Nitrierschichten die Knoophärteprüfung verwendet. Es handelt sich hierbei um ein abgewandeltes Vickersverfahren mit einer spitzwinkligen, rhombischen Diamantspitze mit einem 172,5° Winkel an der langen und einem 130° Winkel an der kurzen Diagonale. Bei diesem Verfahren wird nur die lange Diagonalenstrecke zur Auswertung verwendet. Dadurch können sehr schmale Bereiche geprüft werden. Abbildung 2 zeigt einen vollautomatischen Kleinlasthärteprüfer mit 8-Fach Schliffprobenhalter für vollautomatisierte Härtemessungen. 60 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 1 Prinzip der Vickershärteprüfung (Quelle : Wikipedia) Abbildung 2 Vollautomatischer Kleinlasthärteprüfautomat (Mit freundlicher Genehmigung der Fa. Qness) 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 61 2.1.2 Härteprüfung nach Brinell Die Brinellprüfung funktioniert im Prinzip ähnlich wie die Vickersprüfung, nur dass hier statt einer Diamantspitze als Eindrinkörper eine Hartmetallkugel (HBW) oder eine Stahlkugel (HBS) zu Einsatz kommt. Auch hier wird anhand einer optischen Durchmesserbestimmung des Härteeindrucks der Härtewert errechnet. Die Brinellhärte wir hauptsächlich für weichere Werkstoffe wie ungehärtete Stähle, Nichteisenmetalle und deren Legierungen eingesetzt. Sie zeichnet sich meist durch eine höhere Prüflast bzw. größere Belastungsfläche aus und wird teilweise mit bis zu 3 to Prüflast ermittelt. Dadurch reduziert sich der Einfluss des Ablesefehlers und von Gefügeinhomogenitäten auf den Härtewert. Das gebräuchlichste Verfahren für Stahl ist das Verfahren HBW2,5 / 187,5 und für Al-und Cu-Legierungen das HBW 2,5 / 62,5. Abbildung 3 Brinellprüfmaschine Automatische Brinellprüfmaschine EBRF 3000 von ESI mit integrierter Probenfräse und bis zu 3to Prüfkraft (mit freundlicher Genehmigung der Fa. ESI) 62 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 2.1.3 Härteprüfung nach Rockwell Das Rockwellverfahren ist im Gegensatz zur HV und HB Prüfung kein optisches Verfahren, sondern hier wird die Eindringtiefe anhand eines Messtasters oder einer Prüfuhr ermittelt und direkt als Härtewert angezeigt. Als Eindringkörper dient ein Diamantkegel mit 120° Kegelwinkel (HRC) oder eine Stahlkugel (HRB) Verfahren. Bei beiden Verfahren wird eine Vorkraft von 10 Kg auf den Eindrinkörper aufgebracht um Oberflächeneffekte zu minimieren und einen guten Kontakt zur Probe zu gewährleisten, dann wird die eigentliche Prüfkraft aufgebracht. Nach Rückentlastung auf die Vorkraftstufe wird die bleibende Tiefenänderung gemessen und direkt als Härtewert ausgedrückt. Das Rockwell-C Verfahren ist eines der verbreitetesten Härteprüfverfahren für gehärtete Stähle und ist in nahezu jedem metallverarbeitenden Betrieb zu finden. Die Härtescala reicht hier von 20-70 HRC. Aufgrund der hohen Prüflast von 150 Kg und der daraus resultierenden starken Eindringtiefe findet für einsatzgehärtete Bauteile das HRA Verfahren mit 60 Kg Hauptprüflast Anwendung. HRB wird für weichere, unlegierte Stähle und Buntmetalle im Bereich von 35-100 HRB eingesetzt. Die Rockwellverfahren zeichnen sich durch eine schnelle Anwendbarkeit aus, allerdings ist die Präzision der Messungen nicht so gut wie z.B. bei HV oder HB. 2.1.4 Instrumentierte Härtemessung Die instrumentierte Härtemessung ist eine Messung die nach auf dem von Martens entwickelten Prinzip der simultanen Kraft und Wegmessung beruht. Sie ist zwischenzeitlich in unterschiedlichen Lastbereichen als standardisiertes Universalmessverfahren beheimatet. Die gängigen Systeme reichen von 2000 N bei Makrohärtesystemen bis zu wenigen nN Lastaufbringung für Nanoindentorsysteme wobei für diese bisher die meisten Anwendungen existieren. Die Aufnahme der Wegänderung des Diamanten wird über ein integriertes Wirbelstrom Messmodul mit einer Auflösung von bis zu wenigen pm realisiert. Die Kraftmessung geschieht über eine Kraftmessdose. Dieses Messverfahren bietet eine sehr gute Präzision und Reproduzierbarkeit in allen Lastbereichen. Normalerweise wird eine Belastungs-Entlastungs-Kurve gefahren, woraus zusätzliche Kenngrößen wie E-Modul bzw. der elastische Eindringmodul bestimmt werden können. Neben der Martenshärte HM ist für solche Systeme die Eindringhärte 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 63 HIT gebräuchlich, wobei HIT direkt mit Vickers verglichen werden darf, da hier der elastische Anteil herausgerechnet wird, welcher bei der HM integriert ist. Diese Art der Härteprüfung wird v.a. für dünne und ultradünne Schichtsysteme und zur Härtebestimmung von einzelnen Gefügebestandteilen und kleinen Partikeln benutzt. Als Eindringkörper wird meist ein Vickers oder ein Berkovich Indentor (dreiseitige Pyramide)verwendet. Für die instrumentierten Makrohärtemessysteme sind prinzipiell alle gängigen Eindringkörper adaptierbar. Sie ist zwischenzeitlich auch in der DIN EN ISO 14577 genormt. Abbildung 4 Belastungs-Entlastungskurve Belastungs-Entlastungskurve mit 10mN Maximalprüfkraft einer 1 "m dicken TiCN Beschichtung auf Hartmetallsubstrat. Der Kurvenversatz zeigt die bleibende Eindringtiefe von 0,03"m 64 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 5 Härte- Eindringtiefenverlaufskurve Härte [HM]-Eindringtiefenverlauf einer TiCN Schicht: nach Erreichen der Elastizitätsgrenze zeigt sich die Tiefenabhängigkeit der Härtewerte wobei auch hier nach Erreichen der Elastizitätsgrenze gilt, je kleiner die Prüfkraft, desto höher der Härtewert. 2.1.5 Mobile Härtemessung Um vor Ort möglichst einfach und schnell eine verlässliche Härteprüfung an schwer zugänglichen Stellen durchzuführen, finden unterschiedliche Gerätschaften Anwendung. In der Vergangenheit waren dies hauptsächlich Härtefeilen oder Ritzhärtebesteck. Für das HRC und HB Verfahren existieren mobile Prüfzwingen die meist an bestimmte, wiederkehrende Messaufgaben gekoppelt sind. Ein relativ frei einsetzbares Vickersprüfverfahren bietet ein ursprünglich von Reicherter entwickelter Vickersprüfkopf mit Federbelastung in einem integrierten Messmikroskop mit Haltemagneten. 2.1.6 UCI Verfahren Ein weiteres, sehr frei einsetzbares Verfahren ist das UCI (Ultrasonic Contact Impedance) Verfahren. Hier wir ein Vickersdiamant mit einer definierten, mittels einer Feder aufgebrachten Last über eine Handsonde in die Prüffläche eingebracht. Die Handprüfsonde erlaubt hierbei eine hohe Prüfungsflexibilität. Der Diamant wird über einen angeregten Piezokristall in Schwingung versetzt. Je 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 65 nach Eindringtiefe wird die Resonanzfrequenz verändert. Diese Resonanzänderung ist proportional zur Materialhärte und ermöglicht hierdurch eine Härteprüfung. Das UCI Verfahren deckt den gesamten Vickersbereich ab. Die Methode ist aber vor allem bei Freihandmessung starken Messwertschwankungen unterlegen und sollte wenn möglich mit einem geführten Ständer durchgeführt und im Zweifelsfall immer mit einer klassischen Vickersprüfung abgesichert werden. 2.1.7 Rückprallhärte/ Leeb Verfahren Vor allem für schnelle Messungen vor Ort finden Rückprallhandgeräte Anwendung. Moderne Leeb Handgeräte messen die Aufprall und die Rückprallgeschwindigkeit einer beschleunigten Kugel. Je härter das Material ist, desto schneller ist die Rückprallgeschwindigkeit, aus der dann der Härtewert ermittelt wird. Die klassischen Rückprallhärtemessverfahren, wie der Baumann-Hammer finden nur noch vereinzelt Anwendung. Die Messung beruht auf einer Messung des Kugeleindrucks der durch eine mit einem Schlagbolzen beschleunigte Kugel auf der Probenoberfläche verursacht und dann ausgemessen wird. 66 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 6 Mobiler Vickershärteprüfer Mobiler HV 5 und HV 10 Vickershärteprüfer mit Federbelastung vertikal an Führungsleiste einer Räummaschine angebracht 2.2 Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit Die Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit ist in der Vergangenheit hauptsächlich mit taktilen Messgeräten erfolgt. Die klassischen Werte Ra, Rz und Rmax wurden meist aus einer Messtrecke ermittelt und sind ggf. durch mehrere Messungen statistisch verbessert worden. Messungen an Krümmungen sind immer noch problematisch, ebenso die optimale Positionierung der Proben zum Tastkopf. Durch die rasante Entwicklung der Konfokalmikroskopie haben die optischen Verfahren einen deutlichen Vorsprung erreicht. Nun ist es problemlos möglich, auch größere Flächen 3D zu Vermessen und dies an gekrümmten, wie ebenen Flächen. Eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu taktilen Messungen ist hierbei gegeben. Das eigentliche Bild entsteht hierbei aus vielen Einzelaufnahmen mit einer Digitalkamera im Computer. Die laterale Auflösungsgrenze ist hier wie bei den Lichtmikroskopen üblich, abhängig von der numerischen Apertur des verwendeten Objektivs und der Wellenlänge des verwendeten Lichts. Theoretisch sind so ca. 0,3 µm erreichbar, allerdings verschlechtert sich 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 67 die Auflösung nachträglich durch die digitale Nachbearbeitung der Bilddaten, so dass es in der Praxis etwas weniger wird. Die vertikale Auflösung ist dagegen durch das Ausfiltern der Bildunschärfe durch Lochblenden um den Fokuspunkt bei manchen Objektiven nur 5 nm. So können hochpräzise Topographiebilder erstellt werden. Abbildung 7 Konvokalmikroskop Abbildung 8 3D Topographie Darstellung 68 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 3D Oberfläche einer Kugellagerlaufbahn. Die Krümmung der Lauffläche wurde per Algorithmus korrigiert. Aufnahme zeigt ein Schleifbild mit Rz = 2,27 und Ra = 0,330 2.3 Zugversuche Mit Hilfe der Zugprüfung lassen sich die meisten Kennwerte des Bruchverhaltens einer Werkstoffprobe unter statischer Belastung ermitteln. Die wichtigsten, hier ermittelten Kennwerte sind die Elastizitätsgrenze (Rp0,2), die Zugfestigkeit (Rm) und die Bruchdehnung (A). Die Kraftmessung geschieht üblicherweise mit einer Kraftmessdose, die Längenänderung über den Verfahrweg der Traverse oder wesentlich genauer mit einem instrumentierten Feindehnungsmesser oder einem Laserlängenmessystem. Die Bandbreite für Zugversuche reicht von mehreren MN bis zu wenigen nN Zugkraft und findet quasi überall in allen Verbindungs- und Werkstoffgruppen als standardisiertes Prüfverfahren Anwendung. 2.4 Kerbschlagbiegeversuch Der Kerbschlagbiegeversuch dient der Ermittlung der Schlagarbeit die für das Brechen einer gekerbten Normprobe mit einer definierten Energie nötig ist. Die Schlagarbeit K ist somit ein qualitativer Ausdruck für die Bruchzähigkeit eines Werkstoffes. Er wird hauptsächlich für Metalle und Kunststoffe eingesetzt. Die Prüfung wird in einem Pendelschlagwerk durchgeführt. Hierbei wird für Metalle nach DIN EN ISO 148-1 von einem Schlaghammer mit 300J Arbeitsvermögen ausgegangen. Als Probenform sind v.a. die ISO V (für duktile Materialien) und U Kerbproben (für sprödere Materialien) gebräuchlich. Die Schlagarbeit ist der Teil der Pendelenergie, der für den Bruch der Probe verbraucht wird und kann an alten Geräten direkt am Schleppzeiger abgelesen werden. Neuere instrumentierte Geräte messen während des Schlagvorganges einen Kraft- Verformungsverlauf, wo zusätzliche Aussagen über die Rißausbreitung getroffen werden können. Ist eine solche Möglichkeit nicht gegeben kann diese Aussage auch anhand von Bruchflächenuntersuchungen getätigt werden. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 75 hen v.a. Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen und etwas Röntgenstrahlung. Die Sekundär (SE Kontrast) und Rückstreuelektronen (BE Kontrast) werden für die Bildgebung detektiert. Die entstehende Röntgenstrahlung kann zur Elementanalyse in EDX und WDX Spektrometern verwendet werden. REM– Proben müssen leitfähig sein (Außnahme bei ausschließlicher Verwendung des BE Kontrastes). Nicht leitfähige Proben müssen vor der Untersuchung mit geeigneten Leitern bedampft werden. Die Auflösung am REM ist maßgeblich von dem Durchmesser des verwendeten Elektronenstrahls abhängig. Bei hohen Vergrößerungen wird mit einem möglichst feinen Strahl gearbeitet. Die Erzeugung des Elektronenstrahls geschieht in der Kathode die entweder aus einem gebogenen Wolframdraht (konventionelle Systeme), einem LaB6 Kristall, einer gedünnten Wolframeinkristallspitze oder einer gedünnte ZrO2 Kristallspitze besteht. Die konventionellen W-Kathoden sind am billigsten und benötigen kein besonders hohes Vakuum (5x10-4 mBar), erzeugen aber nur einen rel. dicken Strahl, der wiederum für EDX und v.a. WDX Messungen gut ist. Die LaB6 Kathode erzeugt einen wesentlich feineren Strahl benötigt aber auch ein Vakuum von 1x10-7mBar, was den Einsatz von Ionengetterpumpen verlangt. W und ZrO2 Spitzenkathoden gehören zu den Feldemitterkathoden die einen wesentlich feineren Strahl erzeugen können und in Highend Geräten Verwendung finden. Sie benötigen aber auch ein Ultrahochvakuum von 1x10-10mBar an der Kathode. Konventionelle REM liegen in der Abbildungsleistung bei bis zu 60000:1 oftmals aber nur bei 20000:1. Die LaB6 Systeme reichen meist bis 80000:1 und die besten Feldemittergeräte schaffen Vergrößerungen bis zu 600000:1 sind aber in der Anschaffung wesentlich teurer als die W und LaB6 Geräte. Die Beschleunigungsspannungen der REM liegen zwischen 5 und max. 35 kV. REM’s sind Störstrahler, beim Strahlenschutzamt nicht meldepflichtig und erfordern keine Strahlenschutzbeauftragten im Betrieb. 76 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 13 Schema Rasterelektronenmikroskop Schema des Rasterelektronenmikroskops (Quelle Wikipedia) Abbildung 14 FE-REM mit Analytikdetektoren FE-REM von Zeiss mit angeflanschten Analytikdetektoren, EDX, WDX, und EDSD von Oxford (mit freundlicher Genehmigung der Karl Zeiss SMT AG" 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 77 3.4 Transmissionselektronenmikroskopie Die Transmissionselektronenmikroskopie stellt den High-End Bereich der Elektronenmikroskopie dar. Sie ist aber auch gleichzeitig die Urform der Elektronenmikroskopie und wurde 1931 von Ernst Ruska entwickelt. Im Gegensatz zu den REM’s arbeiten TEM’s mit wesentlich höheren Beschleunigungsspannungen und erzielen sehr hohe Auflösungen bis in den atomaren Bereich. Hier wird ein feinfokussierter Elektronenstrahl durch ein elektromagnetisches Linsensystem geleitet und durchstrahlt die Probe. Die Bildgebung erfolgt auf einem ZnS Leuchtschirm oder über eine CCD Kamera. Momentan liegt die Auflösungsgrenze für HR-TEM’s bei 0,12 nm. Die meisten konventionellen >120kV Geräte haben eine Auflösungsgrenze von ca. 0,3 nm, womit eine Vergrößerung von ca. 1000000:1 erreichbar ist. Prinzipiell lassen sich im TEM organische und anorganische Proben untersuchen, wobei bei der Interaktion mit dem hochenergetischen Elektronenstrahl v.a. biologische Proben stark angegriffen werden. Die TEM Proben sind auf 3 mm Scheibchen im Durchmesser beschränkt. Vor der eigentlichen mikroskopischen Arbeit müssen die Proben aufwendig gedünnt werden, bis ein mit dem Elektronenstrahl durchstrahlbarer Bereich entsteht. Durchstrahlbare Nanopartikel müssen auf kleinen Siebchen mit einem Spezialkleber fixiert werden. Mit Hilfe der konventionellen TEM’s lassen sich feinste Strukturen wie Versetzunslinien und Ausscheidungen in Legierungen charakterisieren. In der atomaren Auflösung an HR-TEM’s können 0 und 1 Dimensionale Fehler, wie einzelne Versetzungen und Grenzflächenreaktionen im atomistischen Maßstab verfolgt werden. Zusätzlich gibt es spezielle TEM Probenhaltern für Heiz/Kühl oder Verformungsexperimente wo in situ Untersuchungen von Festkörperreaktionen möglich sind. Mit Hilfe der Elektronenbeugung können Informationen über das vorliegende Kristallgitter gewonnen werden. Oftmals ist an TEM’s ein EELS Spektrometer und/oder ein EDX Detektor vorhanden, der die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung erlaubt. 78 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 15 Schema Transmissionselektronenmikroskop Schematischer Aufbau eines TEM (Quelle: Wikipedia) Abbildung 16 TEM Abbildung von Versetzungen Versetzungen in Edelstahl (Quelle: Wikipedia) 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 79 3.5 Röntgenstrukturanalyse Die Röntgenstrukturanalyse wird wie der Name schon sagt zur kristallographischen Strukturbestimmung gebraucht. Bei der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit kondensierter Materie werden aufgrund ihrer Kurzwelligkeit, die im Bereich der Atomabstände von ca. 1 Å liegt und ihrer Eigenschaft mit Elektronen zu wechselwirken, Beugungseffekte erzielt, die sich periodisch verhalten und messbar sind. Trifft ein Röntgenstrahl auf ein Atom regt er dieses bzw. die Elektronen zu zusätzlicher Schwingung in ihren Orbitalen an. Die Elektronen eines Atoms geben die überschüssige Energie ebenfalls als Röntgenstrahlung wieder ab. Diese wiederum interferiert mit der Röntgenstrahlung des Nachbaratoms und es entstehen Beugungspunkte die direkt mit der periodischen Anordnung der Atome im waren Kristallgitter korrelieren. So entstehen je nach Atomart, Atombindung und Atomanordnung charakteristische Beugungsmuster. Treffen die Röntgenstrahlen unter einem speziellen Winkel (Bragg-Bedingung) ein, entstehen sog. konstruktive Interferenzpunkte, die mit Hilfe von Detektoren erfasst werden und so die eigentliche Kristallstruktur mit ihren Eigenheiten wie Textur und Spannungszustand offenbaren. Wie bei den meisten Spektroskopischen Verfahren werden zur Quantifizierung unterschiedlicher Anteile die Intensitäten der jeweils zur Analyse gebrauchten Linien zueinander in Verhältnis gesetzt. Liegen unbekannte Phasen vor lassen sich aus den Diffraktogrammen die Kristallstrukturen errechnen, die schnellere Methode ist der Abgleich mit Kristalldatenbanken. Die häufigste Anwendungen in der Materialuntersuchung ist hier die allgemeine Phasenanalysen in Materialien mit unbekannter Phasenzusammensetzung, Phasenanteilbestimmungen wie z.B. die Restaustenitbestimmung in gehärteten Proben, die bereits erwähnte Eigenspannungsmessung und Texturbestimmungen. Gängigstes Verfahren ist hierbei die Röntgendiffraktometrie unter Verwendung von monochromatischem Röntgenlicht. Zur Charakterisierung von sehr kleinen Bereichen in Proben stehen µXRD Anlagen zur Verfügung die Punktanalysen im Bereich von wenigen µm erlauben. Die Nachweisgrenze für eine Phase einer anderen liegt bei ca. 0,5% Gesamtmengenanteil. Im REM und TEM stehen ebenso Möglichkeiten zur Strukturanalyse zu Verfügung, allerdings handelt es sich hierbei um Elektronenbeugungsverfahren. Vor allem die EBSD Analyse an REM’s mittels Analyse von Kikutchi-Linien fin- 80 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 det immer weitere Verbreitung, allerdings ist dieses Verfahren kein Ersatz für eine klassische Röntgenfeinstrukturanalyse. Abbildung 17 Schema konstruktive und destruktive Interferenz Beugungsgeometrie bei konstruktiver Interferenz (links) und destruktiver Interferenz (rechts) (Quelle Wikipedia) Abbildung 18 Röntgenspektrum Röntgenspektrum einer Kupferanode (Quelle Wikipedia) 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 81 4 Chemische Analyseverfahren für Festkörper Das Wissen um die chemische Zusammensetzung eines Materials erlaubt eine Vielzahl von Interpretationen um den eigentlichen Gebrauchszustand bzw. die zu erwartenden Eigenschaften. Liegt in einen einsatzgehärteten Stahl zu wenig Kohlenstoff in der Randschicht vor, lässt er sich nicht richtig härten, enthält ein rostfreier Stahl zu wenig Nickel, droht er zu rosten. All dies sind sehr praktische Fragestellungen die mit recht einfachen Analysemethoden beantwortet werden können. Die Anforderungen und Möglichkeiten sind hierbei sehr unterschiedlich, weshalb oftmals mehrere Verfahren zum Einsatz kommen, wenn z.B. zuerst eine grobe Identifikation mit einem universellen Verfahren vorgenommen wird, um dann im zweiten Schritt die exakte Konzentration mit einem anderen zu bestimmen. Im folgenden werden gängige Analysemethoden für die Feststoffcharakterisierung vorgestellt. 4.1 Funkenemissionsspektralanalyse Die Funkenemissionspektralanalyse (EOS) ist eines der gängigsten Analyseverfahren in der Metallanalytik für viele Standartlegierungen. Fasst allen Stählen und auch die meisten Nichteisenlegierungen, sofern die entsprechende Konfiguration im Gerät vorhanden ist, können sehr präzise analysiert werden. Hierzu wir in einem Lichtbogenschauer Material verdampft das entsprechend seiner Zusammensetzung ein charakteristisches Licht aussendet. Dieses Licht wird über eine Art Prisma zerlegt wobei jedes Element ein charakteristisches Linienspektrum aufweist, das mit Photomultiplierröhern oder CCD-Chips analysiert wird. Je nach enthaltenem Elementanteil variieren die unterschiedlichen Intensitäten und lassen sich quantifizieren. Prinzipiell lassen sich hiermit alle Elemente bis auf Wasserstoff und die Edelgase bestimmen. Die Analyse ist aber immer nur so gut, wie der verwendeten Standard. Liegt für ein bestimmtes Element kein geeigneter Standard in der jeweiligen Konzentration vor, misst die EOS nur eine Hausnummer oder kann den Gehalt gar nicht angeben, wenn die Auswertesoftware den Bereich nicht vorgegeben hat. Bei idealen Prüfbedingungen ist das Ergebnis eines guten Laborspektrometers mit dem von Aufwendigen Nasschemischen und Verbrennungsverfahren der klassischen Elemen- 82 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 tanalytik gleich. Für die meisten Elemente liegen die Nachweisgrenzen im ppm Bereich. Ein Weiterer Vorteil für die EOS ist die einfache Probenvorbereitung (etwas anschleifen genügt meist) und die schnelle Durchführung der Analyse. Für viele Analysenprogramme sind meist alle wichtigen Begleitelemente hinterlegt. So können teilweise in einer Analyse bis zu 30 Elemente angegeben werden. Nachteil ist v.a. dass die Elementauswahl nicht frei wählbar ist. 4.2 Glimmentladungsspektroskopie GDOS Bei der GDOS Analyse wird in einem Argonplasma die Probe abgesputtert und die abgesputterten Atome im Plasma zum Leuchten angeregt. Das hierbei entstehende Licht wird wie bei der EOS Analyse in einem Spektrometer analysiert und im Computer quantifiziert. Dies geschieht kontinuierlich, unter Angabe der Zeit, wodurch ein Elementtiefenverlauf gemessen wird. Die eigentliche Tiefenauflösung erfolgt über die jeweilige Sputterrate des vorliegenden Materials. Hauptvorteil dieser Methode ist die Erstellung von Konzentrationstiefenprofilen. So lassen sich sehr exakte Elementverläufe z.B. für Kohlenstoff in einsatzgehärteten Bauteilen ermitteln, Beschichtungen charakterisieren, Kontaminationen nachweisen etc.. Die Methode ist schnell, wirtschaftlich und präzise (Nachweisgrenzen wie EOS) und erlaubt eine Tiefenauflösung von wenigen nm und Gesamttiefenprofile von bis zu 800 µm. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 83 Abbildung 19 GDOS Tiefenprofil GDOS Tiefenprofil einer TiN-TiAlN Beschichtung auf Hartmetallsubstrat 4.3 Energie und Wellendispersive Röntgenanalyse (EDX/WDX) am REM Bei EDX und WDX handelt es sich um Analysemethoden, die hauptsächlich an Rasterelektronenmikroskopen Anwendung finden, siehe Abb. 14, wobei die EDX Geräte deutlich häufiger anzutreffen sind, als WDX Geräte. Bei der EDX Analyse wir das charakteristische Röntgenspektrum der in einer Probe vorhandenen Atome aufgenommen, das dann entsteht, wenn die Atome durch den Primärelektronenstrahl des REM angeregt werden. Die Primärelektronen erzeugen dabei einen instabilen, an Elektronen übersättigten Zustand in den jeweiligen Elektronenschalen. Beim Zurückfallen der Elektronen in ihren ursprünglichen Zustand wird Röntgenstrahlung frei, die die Information der Energieniveaus der jeweiligen Schalen der Atome enthält, aus denen sie emittiert wurden. Im EDX Spektrometer treffen die Röntgenquanten auf einen lithiumgedrifteten Si Kristall oder in den neueren Systemen auf einen speziellen Si- Wafer. Dort hinterlassen sie beim Auftreffen je nach ihrer spezifischen Energie Ladungslücken die von anderen Elektronen wieder aufgefüllt werden. Hieraus 84 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 lässt sich die Energie des eingetroffenen Röntgenquants spezifizieren, die wiederum ein Ausdruck der jeweiligen Elektronenschale ist, woraus das Röntgenquant emittiert wurde und somit die Elementinformation trägt. Diese Energien werden kontinuierlich detektiert und führen zu den bekannten Linienspektren, die die wahre Zusammensetzung wiederspiegeln und anhand derer Höhenverhältnisse halbquantitative Aussagen zu den vorhandenen Elementen zu treffen sind. Vorteile von EDX sind die Schnelligkeit, die Möglichkeit Elementverteilungsbilder und Linescans aufzunehmen sowie die kleinen Anregungsbereiche für Analysen von kleinsten Partikeln. Nachteil ist die geringe Sensitivität für leichte Elemente wie B, Be, C, und N und die allgemein geringere Präzision von ca. 0,2-0,5 % (Elementabhängig) für schwerere Elemente. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Energiespektren mit den einzelnen Linien nicht immer sauber getrennt werden können, da die elektrische Energieausfilterung nicht so präzise ist. So ergeben sich für einige Peaks Überlagerungen die eine genaue Elementidentifikation manchmal unmöglich machen. Hier hat die WDX Analyse einen deutlichen Vorteil, da hier in einem richtigen optischen Spektrometer die Röntgenintensitäten der jeweiligen Linien mit einem Zählrohr auf dem Rowlandkreis detektiert werden. Die Energieauflösung ist wesentlich besser als bei EDX, ebenso ist das Grundrauschen wesentlich geringer, was für geringe Elementkonzentrationen sehr wichtig ist. Die Analyse ist hier mindestens um einen Faktor 2 hinter dem Komma besser, als bei EDX. Nachteile sind die relativ hohen Anschaffungskosten gegenüber EDX, die Notwendigkeit Standards zu verwenden und die Dauer der Messungen, wenn nicht simultan mit mehreren Spektrometern gemessen werden kann. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 91 Inhaltsverzeichnis: 1!Entwicklungen auf dem Kupfermarkt ............................................................ 92! 2!Verwendung von CuMg-Legierungen als Bahnleitmaterial .......................... 93! 3!Bruchflächenanalyse an Hängerseilen ......................................................... 96! 4!Ausscheidungsfähige CuMg-Legierungen .................................................. 100! 4.1!Herstellung des Probenmaterials ......................................................... 100! 4.2!Homogenisierungsbehandlungen ........................................................ 100! 4.3!Ausscheidungsverhalten ...................................................................... 101! 4.4!Erhöhung der Härte ............................................................................. 103! 4.5!Erhöhung der Leitfähigkeit ................................................................... 104! 4.6!Zugfestigkeit und Duktilität ................................................................... 105! 4.7!Kombination verschiedener Verfestigungsmechanismen .................... 106! 5!Substitution von Legierungselementen ...................................................... 109! 6!Ausblick ...................................................................................................... 110! Literatur ........................................................................................................... 111! Zusammenfassung Am Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien der Hochschule Pforzheim liegt seit einigen Jahren ein Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Optimierung von Kupferbasislegierungen. Während man zunächst hauptsächlich mit der Untersuchung von konventionellen Legierungen für Bahnanwendungen begann, so stehen mittlerweile neuartige ausscheidungsfähige Kupfer-Magnesium-Legierungen im Fokus. Neben der Herstellung von Probegüssen und thermomechanischen Behandlungen finden dabei umfangreiche Messungen mechanischer und physikalischer Werkstoffkennwerte statt, die durch Kombinationen verschiedener Verfahrensschritte erzielt wurden. Durch den Einsatz neuer Legierungen lassen sich zum einen herkömmliche Anwendungsfälle erweitern, aber auch Kupferwerkstoffe ersetzen, deren Legierungselemente teuer, toxisch oder längerfristig schwer verfügbar sind. 92 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 1 Entwicklungen auf dem Kupfermarkt Die Verwendung von Kupfer als technischer Werkstoff hat schon eine sehr lange Geschichte. Es ist das erste und damit älteste Gebrauchsmetall des Menschen und wird aufgrund seiner leichten Verarbeitbarkeit bereits seit über 10.000 Jahren eingesetzt. Daher könnte man zunächst erwarten, dass die Entwicklung auf dem Gebiet der Kupferforschung längst abgeschlossen sei. In den Jahren um 1970 konnte man diesen Eindruck auch durchaus gewinnen, da die fortschreitende Miniaturisierung in der Elektrotechnik und Elektronik einen Rückgang des Verbrauchs von Kupfer zur Folge hatte. Seit 1976 hat sich dieser jedoch von 7,8 Mio. t auf einen aktuellen Stand von 18,5 Mio. t mehr als verdoppelt. In jüngerer Zeit hat vor allem die fortschreitende Industriealisierung im asiatischen Raum maßgeblich dazu beigetragen. Im Vergleich zu den Stahlanwendungen erscheinen diese Zahlen immer noch vergleichsweise gering, jedoch machen Preisentwicklungen von zeitweise über 10.000 US$/t den Werkstoff Kupfer mehr denn je zu einem sehr begehrten Metall. Während beispielsweise Im Bereich Stahl in den letzten Jahrzehnten sehr viel in die Forschung investiert wurde, war dies aufgrund verfügbarer Kupferwerkstoffe, welche den Anforderungen weitestgehend genügten, nur bedingt erforderlich. Diese Anforderungen haben sich jedoch in mancherlei Hinsicht verändert und die Kupferforschung hat eine neue Dynamik bekommen. Während in der Vergangenheit bei der Werkstoffauswahl fast ausschließlich die mechanischen und technologischen Eigenschaften im Fokus standen, so hat inzwischen der Metallwert an Bedeutung stark zugenommen [HOJ 08], [ZEI 86]. Begriffe wie Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz prägen daher auch bei Kupfer die Forschungsaktivitäten in einem hohen Maße. Beim Einsatz von Leitmaterialien gilt es dabei Zielkonflikte zwischen einer möglichst hohen Leitfähigkeit bei einer gleichzeitig ausreichenden Festigkeit zu lösen. Eine weitere Herausforderung in der aktuellen Kupferforschung liegt in der Substitution von Legierungselementen wie z.B. Beryllium, welches aufgrund seiner toxischen Eigenschaften schon seit langem als physiologisch sehr bedenklich eingestuft wird. Am Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien (IWWT) an der Hochschule Pforzheim hat man sich in 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 93 den letzten Jahren bewusst dieser Thematik angenommen und daraus einen wichtigen Forschungsschwerpunkt des Institutes aufgebaut und etabliert. 2 Verwendung von CuMg-Legierungen als Bahnleitmaterial Ein konkretes Einsatzgebiet von Kupferbasislegierungen, welches im Rahmen der Forschung am IWWT im Fokus steht, ist das Leitmaterial von elektrischen Bahnen. Die Legierung Kupfer-Magnesium wird dabei bereits seit den siebziger Jahren als Substitut für das umweltschädliche Kupfer-Cadmium verwendet und ist mittlerweile international auf Bahnstrecken mit höheren Geschwindigkeiten im Einsatz. Durch die kontinuierlich gestiegenen Geschwindigkeiten der Züge haben sich die Anforderungen an diese Werkstoffe ständig erhöht. Da aufgrund des komplexen physikalischen Verhaltens des Systems Stromabnehmer/Fahrleitung mit einer Erhöhung der Geschwindigkeit gleichzeitig die Vorspannung der Fahrleitungen erhöht werden muss, stößt man aufgrund der begrenzten Festigkeiten von Kupferlegierungen immer wieder an eine physikalische Grenze, die als die so genannte „catenary barrier“, als „Oberleitungsgrenze“, bezeichnet wird, und eine ständige Herausforderung bei weiteren Geschwindigkeitserhöhungen ist [BAR 07]. Eine erforderliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und geringere Kriechneigung ging mit den bisherigen Herstelltechnologien in der Regel immer mit einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit einher. Die aktuell für Bahnleitmaterial eingesetzten CuMg-Legierungen mit ihrem Magnesiumgehalt von 0,3 - 0,7 Gew.-% werden im horizontalen Stranggussverfahren hergestellt und befinden sich innerhalb des homogenen α-Bereiches, in dem ein einphasiger, gleichmäßig zusammengesetzter Mischkristall vorliegt [ULL 91]. Daher lassen sich bei diesen Konzentrationen Festigkeitserhöhungen i.d.R. nur durch Mischkristallverfestigung sowie durch eine Kaltverfestigung in den weiteren Umformungsschritten erzielen. Der Nachteil ist dabei jedoch eine deutliche Leitfähigkeitsverringerung. Eine Erhöhung der Magnesiumzugabe hin zu einem ausscheidungsfähigen System stellt daher einen plausiblen Ansatz 94 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 zur Verbesserung der Eigenschaften dar. Die maximale Löslichkeitsgrenze von Magnesium liegt, wie in dem Zustandsschaubild in Abbildung 1 zu sehen ist, bei einer Temperatur von 726 °C bei 2,77 Gew.-%. Diese Löslichkeit sinkt mit einer Abkühlung auf 200 °C auf ca. 0,8 Gew.-% ab [BAK 97], wodurch die notwendige Bedingung für eine Ausscheidungsverfestigung erfüllt wird. Abbildung 1 Zustandsschaubild CuMg [BAK 97] In den konventionell eingesetzten Legierungen treten Ausscheidungen mit einem kreisförmigen bis elliptischen Querschnitt auf, die über den gesamten Querschnitt verteilt sind und aus der Restschmelze entstehen, welche infolge von Mischkristallseigerung in den interdentritischen Räumen erstarrt ist [ULL 91]. Diese Konzentrationsunterschiede sind auf die schnelle Abkühlung beim Gießen zurückzuführen. Das große Erstarrungsintervall dieser Legierung begünstigt zudem die Bildung von Kristallseigerungen. Aufgrund ihrer geringen 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 95 Anzahl und ihrer Größe führen diese Ausscheidungen jedoch zu keiner nennenswerten Ausscheidungsverfestigung und führen eher zu einer unerwünschten Inhomogenität des Gefüges. Damit bleibt festzuhalten, dass das festigkeitssteigernde Potential einer Ausscheidungshärtung bei der Verwendung von CuMg als Bahnleitmaterial bisher noch nicht ausgenutzt wurde. Ein weiteres Merkmal dieser Gießdrähte sind flächige Bereiche an oder direkt unterhalb der Oberfläche mit einem eutektischen Gefüge (Abbildung 2) welche durch eine umgekehrte Blockseigerung verursacht werden. Diese tritt bevorzugt bei Cu- Legierungen mit einem großen Erstarrungsintervall wie CuMg auf. Abbildung 2 Eutektikum im Randbereich, CuMg0,3; 1.000 fach 96 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 3 Bruchflächenanalyse an Hängerseilen Bei der Betrachtung des Oberleitungssystems sind neben den Komponenten mit einer sehr großen und nahezu statischen Beanspruchung wie sie typischerweise auf Fahrdrähte einwirken, auch solche vorhanden, die hochdynamisch beansprucht werden. Dies betrifft vor allem die Hängerseile, die die Verbindung zwischen Fahrdraht und Tragseil übernehmen und damit zum einen das Gewicht des Fahrdrahtes tragen und zum anderen durch den impulsartigen Anhub des Fahrdrahtes durch das Bahnfahrzeug zusammen mit der Oberleitung in Schwingung versetzt werden. Dabei ist die Amplitude beim Anheben am größten und nimmt danach bis zum Ruhezustand kontinuierlich ab. Diese Schwingungen führen an den Hängerseilen zu einer Materialermüdung, die letztlich zum Bruch führt. Sobald dies eintritt, erhöht sich die Belastung der benachbarten Hängerseile. Ein weiteres Problem tritt dann auf, wenn es zu einer Kollision zwischen einem gebrochenen Hänger und dem Stromabnehmer kommt, was aufgrund der hohen Geschwindigkeiten sehr schnell zu großen Beschädigungen führen kann. Aufgrund der Geschwindigkeitszunahme in den letzten Jahren (insbesondere auf den weltweiten Hochgeschwindigkeitsstrecken) ist die Beanspruchung der Hängerseile deutlich gestiegen. Die Hersteller von Bahnleitmaterial führen an diesen Seilen Ermüdungsprüfungen nach dem in DIN EN 50119 [DIN 11] vorgegebenen Verfahren durch. Dabei müssen in abwechselnden Last- und Stauchzyklen bei definierten Kräften und Frequenzen mindestens 2.000.000 Belastungszyklen erreicht werden. Durch eine umfangreiche Bruchflächenanalyse von Hängerseilen aus dem Prüfstand im Vergleich zu gebrochenen Seilen, welche aus einer Hochgeschwindigkeitsbahnstrecke stammten, konnten große Unterschiede im Bruchverhalten aufgezeigt werden. Die Herausforderung bei der Fraktographie von Einzeldrähten gebrochener Hängerseile besteht darin, dass durch mechanische und korrosive Einwirkungen sowie durch Verschmutzungen die ursprünglich ausgebildeten Bruchflächen verändert werden und sich daher eine exakte Bruchflächenanalyse zum Teil recht aufwendig gestaltet. Zur Untersuchung der Bruchflächen sowohl am Stereo- und 3D-Mikroskop als auch am Rasterelektronenmikroskop findet am IWWT eine spezielle eigenentwickelte Vorrichtung Verwendung, in welcher gleichzeitig je- 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 97 weils die sieben Drähte einer Litze nach dem Reinigungsprozess mit der Bruchfläche nach oben aufgenommen werden können (Abbildung 3). Abbildung 3 Schwenkbare Positioniervorrichtung für Einzeldrähte Die an Hängerseilen auftretenden Drahtbrüche lassen sich generell in die zwei Brucharten Ermüdungsbruch und Überlastbruch unterteilen. Je nach Belastung sind auch Drahtbrüche möglich, die beide Brucharten oder deren Mischformen zum Teil zusammen mit anderen Schädigungsmechanismen aufweisen. Stellvertretend für die Vielzahl untersuchter Drahtbrüche sollen im weiteren Verlauf nur der Schwingbruch und der Scherbruch betrachtet werden. Das Auftreten von Schwingungsbrüchen an einer Bahnstrecke überwiegt gegenüber den anderen Schädigungsmechanismen aufgrund der dynamischen Beanspruchungen deutlich, während im Prüfstand die Anzahl der Gewaltbrüche höher ist. Die Abbildung 4 zeigt einen typischen Schwingbruch eines Einzeldrahtes. Der Bruchursprung ist hier auf eine mechanisch abgeriebene Stelle zurückzuführen, welche deutliche Kennzeichen einer Reibkorrosion aufweist. Die Bruchlinien verlaufen senkrecht zur makroskopischen Rissausbreitung. Gefügebedingt sind 98 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 jedoch immer wieder örtlich starke Abweichungen erkennbar. Das wellenförmige Profil der Bruchlinien zeigt, dass es sich um einen duktilen Bruch handelt. Die Struktur der Bruchlinien wird bei vielen Brüchen von einer gröberen Struktur in Form von Stufen überlagert (Bruchbahnen), welche parallel zur Rissausbreitung auftreten. Die dem Bruchanfang gegenüberliegende Restbruchfläche ist als Scherbruch mit einer typischen Wabenstruktur ausgebildet. In der Abbildung 5 ist im Gegensatz dazu ein Gewaltbruch in Form eines Scherbruches abgebildet. Der Bruchanfang weist dabei starke sekundäre Verformungen auf, welche erst nach dem eigentlichen Bruch entstehen. Davon sind vor allem jene Drähte betroffen, welche bereits zu Beginn versagen und deren Bruchflächen sich durch die auftretenden Biegungen zyklisch berühren. An dem dargestellten Scherbruch sind vor allem am Anfang Anteile eines Schwingungsbruches zu erkennen. Der weitere Bruchverlauf sowie der Restbruch liefern durch die hochgezogene duktile Wabenstruktur jedoch einen eindeutigen Hinweis auf einen Überlastbruch. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 99 Abbildung 4 Schwingbruch, Einzeldraht, CuMg0,3, 170 fach, REM (SE) Abbildung 5 Scherbruch, Einzeldraht, CuMg0,3, 170 fach, REM (SE) 100 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 4 Ausscheidungsfähige CuMg-Legierungen 4.1 Herstellung des Probenmaterials Da ausscheidungsfähige höher magnesiumhaltige Kupferlegierungen bisher nur zu Forschungszwecken eingesetzt wurden und daher nicht auf dem Markt erhältlich sind, musste mit der Herstellung von Gussproben im Labormaßstab begonnen werden. Diese Legierungen verhalten sich beim Schmelzen und Vergießen sehr ungünstig. Dies liegt neben dem bereits erwähnten großen Erstarrungsintervall hauptsächlich an der hohen Sauerstoffaffinität von Magnesium. Wird Magnesium unter normaler Atmosphäre erhitzt, so beginnt es sich bereits bei ungefähr 100 °C unterhalb seines Schmelzpunktes von 650 °C zu entzünden. Daher ist eine Erschmelzung unter Schutzatmosphäre erforderlich. Von den verschiedenen erprobten Gießverfahren hat sich das vertikale Stranggussverfahren mit einer Vakuum-Stranggießanlage VC 400 V der Fa. Indutherm am meisten bewährt. Damit konnte geeignetes Probenmaterial in einer sehr hohen Güte und Reproduzierbarkeit mit verschiedenen Legierungsgehalten zwischen 2,5 - 3,5 Gew.-% Magnesium hergestellt werden. Die Aufschmelzung des Vormaterials erfolgte dabei induktiv unter Stickstoffatmosphäre in einem Graphittiegel [ZIL 11]. 4.2 Homogenisierungsbehandlungen Für eine effektive Ausscheidungsverfestigung ist es erforderlich, dass der Mischkristall in homogenisierter Form vorliegt. Beim Abguss von Legierungen unterbleibt normalerweise weitgehend ein zum thermodynamischen Gleichgewichtszustand führender Diffusionsausgleich. Um den Homogenisierungsvorgang so effektiv wie möglich zu gestalten, wurde hierfür eine thermomechanische Behandlung durchgeführt. Die zu dem gewünschten Homogenitätsgrad führende Glühbehandlung mit einer optimalen Kombination aus Temperatur und Zeit, wurde empirisch ermittelt, da deren Parameter von den Erstarrungsbedingungen beim Gießen abhängen. Nach einer Glühzeit von 1 h bei 730 °C konnte 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 107 Die bei 400 °C durchgeführte Ausscheidungsbehandlung des zuvor kaltverfestigten Gefüges wirkt wie eine statische Erholungsglühung. Daher fallen die hohen Anfangswerte der Härte und Zugfestigkeit während der Glühung etwas ab, womit allerdings die Bruchdehnung wiederum Werte erreicht, die eine Weiterverarbeitung des Werkstoffes zu Langprodukten möglich machen. Die Leitfähigkeit erfährt ab einem gewissen Umformgrad einen überproportionalen Anstieg. So lassen sich beispielsweise bei der Legierung CuMg2,5 mit einem logarithmischen Umformgrad von ϕh = 2,1 und einer 8-stündigen Glühung bei 400 °C Zugfestigkeitswerte oberhalb 650 MPa bei einer Bruchdehnung von ca. 6% erreichen. Die Leitfähigkeit beträgt dabei 32,1 MS/m. Aufgrund der vorhandenen Versetzungen, welche als Keimstellen für die Bildung von zahlreichen Ausscheidungen dienen, lässt sich das Volumen der Zweitphase erhöhen und damit die Leitfähigkeit innerhalb relativ kurzer Auslagerungszeit auf diesen Maximalwert erhöhen. In der REM-Aufnahme (Abbildung 10) ist anhand der hohen Vergrößerung die geringe Größe der kontinuierlichen Ausscheidungen zu erkennen, welche deutlich unter 1 µm liegt. 108 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 11 Verformtes Gefüge, CuMg2,5; ϕh = 2,1; 400 °C, 8 h; 2.000 fach, REM (BSE) 5 µm Die aufgrund dieser Verfahrenskombination erreichbaren mechanischen Werkstoffkennwerte liegen deutlich oberhalb der bisher konventionell eingesetzten CuMg-Legierungen mit 0,5 Gew.-% Magnesium. Die Glühdauer von 8 h ist vor allem daher von großem Interesse, da sie sich sehr gut in einen industriellen 3- Schichtbetrieb integrieren ließe. Lediglich bei der Leitfähigkeit fällt der Wert noch etwas geringer aus (CuMg0,5: 36 MS/m), was in dem deutlich höheren Legierungsanteil begründet liegt und im Zuge weiterer Optimierungsmaßnahmen durchaus noch gesteigert werden kann. Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass die zu diesen Legierungen und den dazugehörigen Fertigungsverfahren erarbeiteten Ergebnisse und die damit direkt zusammenhängenden Vorteile für die industrielle Anwendung zum Anlass genommen wurden, einen patentrechtlichen Schutz anzumelden. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 109 Der Vergleich mit herkömmlichem Bahnleitmaterial zeigt, dass die Legierung CuMg2,5 nach einer Kaltverfestigung und nachfolgender Ausscheidungshärtung für den Einsatz als Bahnleitmaterial geeignet sein kann. Gemäß derzeit gültiger Auslegungskriterien von Fahrleitungen [KIE 98] lässt sich mit der Legierung CuMg2,5 und der erreichbaren Kombination an Werkstoffkennwerten eine Geschwindigkeitssteigerung um 50 km/h realisieren. Neben Bahnleitmaterial lassen sich diese ausscheidungsfähigen Legierungen auch in anderen Bereichen einsetzen, in denen es auf eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Leitfähigkeit ankommt. Dadurch könnten beispielsweise Leitungsquerschnitte verringert werden, was zu einer Gewichtsreduzierung und einer nachhaltigen Einsparung des teuren Werkstoffes Kupfer führen würde. In Anbetracht der Verfünffachung des Kupferpreises in den vergangenen zehn Jahren mit einer weiterhin steigenden Tendenz, könnte eine solche Materialeinsparung einen deutlichen Wettbewerbsvorteil für viele Hersteller und Anwender darstellen [LME 12]. 5 Substitution von Legierungselementen Ein weiteres Forschungsvorhaben am IWWT mit dem Ziel einer Substitution der toxischen Legierungskomponente Beryllium durch physiologisch unbedenkliche Elemente befindet sich derzeit im Stadium der Legierungsentwicklung. Bauteile aus Kupfer-Beryllium finden in vielen Bereichen Verwendung. Sie weisen eine hohe spezifische Festigkeit auf, und behalten ihre Festigkeit und Steifigkeit bis zu hohen Temperaturen. Die sehr gute Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, verbunden mit einer hohen Dauerfestigkeit und Elastizitätsgrenze, sowie eine gute Leitfähigkeit führen zu einer Vielzahl von Anwendungen. Sie finden beispielsweise in der Elektrotechnik als stromdurchflossene Federn und Kontakte sowie in der Luftfahrt als Lagerteile sowie in der Öl- und Gasförderung als funkenfreie Werkzeuge Verwendung. Die Tatsache, dass mit Kupfer-Beryllium die derzeit höchsten Festigkeiten und Härten in der Gruppe der Kupferbasislegierungen erreicht werden können, macht diese Legierung nahezu unverzichtbar. So kann beispielsweise mit der Legierung CuBe2 in Kombination mit einer Kaltverfestigung eine Zugfestigkeit von 1.520 MPa bei einer Härte von 450 HV 110 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 und einer Leitfähigkeit von 12 MS/m erreicht werden [BRU 10]. Der Grund für diese hohe Festigkeit liegt wiederum in der Aushärtbarkeit dieser Legierung und dem dabei verhältnismäßig hohen ausscheidbaren Volumen an Zweitphase. Aufgrund der sehr hohen Toxizität und der begrenzten Verfügbarkeit ist man schon seit Jahren bestrebt, ein Substitut für dieses Element zu finden, was jedoch bisher immer zu einer Minderung der Gebrauchseigenschaften führte. Um einen geeigneten Substitutionswerkstoff zu ermitteln, ist es zunächst erforderlich, das Legierungssystem Kupfer-Beryllium umfassend zu analysieren um damit ein umfassendes und systematisches werkstoffkundliches Verständnis für die wirksamen Mechanismen aufzubauen, die solch herausragende Eigenschaften zur Folge haben. Durch eine entsprechende Ersatzlegierung könnten nicht nur bereits eingesetzte Serienteile substituiert werden, sondern ließen sich auch neue Märkte erschließen, in denen berylliumhaltige Legierungen bisher als Markteintrittsbarriere gelten. Dieser Herausforderung haben sich die Mitarbeiter des IWWT zusammen mit dem Partner, der Nonnenmacher GmbH & Co. KG in einem aktuellen Forschungsvorhaben gestellt und bereits erste Legierungssysteme wie beispielsweise CuTi und darauf basierende Mehrstofflegierungen auf ihre Eignung hin untersucht. 6 Ausblick Durch den Einsatz neuartiger ausscheidungsfähiger CuMg-Legierungen kann das Anwendungsgebiet bisher verwendeter niedriglegierter Kupferbasislegierungen in sinnvoller Weise erweitert werden. Um die Einsatzmöglichkeiten noch näher zu untersuchen, soll in den nächsten Schritten der Labormaßstab hin zu größeren Chargen zum industriellen Maßstab hin erweitert werden. Bisher wurde aufgrund der komplexen Ausscheidungskinetik noch auf den Zusatz weiterer Legierungselemente verzichtet. Basierend auf den vorliegenden Erkenntnissen soll nun eine Erweiterung des binären Legierungssystems CuMg erfolgen, wo- bei erste Versuche mit weiteren Elementen bereits sehr vielversprechende Er- 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 111 gebnisse erbrachten. Weitere Forschungsvorhaben zu dieser Thematik befinden sich aktuell in der Antragsphase bzw. in Planung. Literatur [BAK 97] Bake, H. (Hrsg.): ASM Handbook Volume 3: Alloy phase diagrams. ASM International, 2. Auflage 1997. [BAR 07] Barrin, C. de: Copper in the transport systems of the future: The example of the high-speed train. European Copper Institute, 2007. [BRU 10] Brush Wellmann GmbH: Technische Daten Brush Legierung 25 CuBe2. Datenblatt, 2010. [DIN 11] DIN EN 50119: Bahnanwendungen Ortsfeste Anlagen Oberleitungen für den elektrischen Zugbetrieb. Beuth Verlag, April 2011. [HOJ 08] Hojda, R., Riepe, U.; Hecker, S.: Nachhaltigkeit bei der Werkstoffentwicklung und Werkstoffherstellung. Metall 62 (2008), H. 10, S. 622 - 625. [KIN 07] Kinder, J.: Verbesserung des Langzeitverhaltens einer elektrisch hochleitfähigen Kupferlegierung für elektromechanische Kontaktsysteme durch Ausscheidungsoptimierung. Abschlussbericht AIF 14129 N (2007). [LAM 12] Lamineries Matthey SA (Hrsg.): Kupfer-Beryllium Legierungen. Technische Information, Vergleich der Eigenschaften. 2012. [LME 12] London Metal Exchange. http://www.lme.com/copper_graphs.asp. (Stand: 11.01.12) 112 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 [ULL 91] Ullwer, H.; Linke, M.; Pangert, L.: Technologische Betrachtungen zur kontinuierlichen Fertigung von Cu-Mg-Leitbronzedraht. Metall 45 (1991), H. 11, S. 1120 - 1123. [VIN 02] Vinaricky, E.: Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen., Springer Verlag Berlin, 2. Auflage, 2002. [ZEI 86] Zeiger, H.: Stand und Entwicklung auf dem Gebiet der Kupferwerkstoffe. Zeitschrift für Werkstofftechnik 17 (1986), S. 75 - 78. [ZIL 11] Zilly, A.; Christian, U.; Kött, S.; Nobiling, D.; Jost, N.: Production and Metallographic Examination of Precipitable Cu–Mg Alloys. Practical Metallography 48 (2011), H. 11, S. 582-593. [ZIL 11a] Zilly, A.; Christian, U.; Kött, S.; Schmid, T.; Jost, N.: Anwendungsorientierte Optimierung der Werkstoffeigenschaften von ausscheidungsfähigen CuMg-Legierungen. Wanner, A.; Rettenmayr, M. (Hrsg.): Fortschritte in der Metallographie, Berichte der 45. Metallographietagung Karlsruhe, 2011. Sonderbände der Praktischen Metallographie 43, (2011), S. 201-206. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 113 Bernd Nonnenmacher Nonnenmacher Microguss GmbH, Ölbronn Microguss – vom Prototyp bis zur Großserie 114 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Bernd Nonnenmacher Dipl. Ing. (FH) Geburtsjahr: 1952 1967- 1971 Ausbildung zum Werkzeugmacher 1974- 1976 Weiterbildung zum staatlich gepr. Maschinenbautechniker an der Heinrich-Wieland-Schule in Pforzheim 1976- 1979 Studium an der FH-Karlsruhe Fachbereich Feinwerktechnik mit dem Abschluss Diplom Ingenieur (FH) 1980 Gründung der Nonnenmacher GmbH & Co. KG 1980- heute Gesellschafter Geschäftsführer der Nonnenmacher GmbH & Co. KG 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 115 Die Firma Nonnenmacher GmbH & Co. KG wurde 1980 durch Bernd Nonnenmacher gegründet. Die Firma hat Ihren Sitz in Ölbronn-Dürrn. Es bestehen derzeit 3 Geschäftsbereiche: 1.) Werkzeug- und Formenbau 2.) Kunststoffspritzguss 3.) Microguss In diesem Vortrag soll das Verfahren Microguss dargestellt werden. An Hand der möglichen Metallformgebungsverfahren wird der Microguss eingeordnet. Microguss ist ein Gussverfahren welches nach dem Feingussprinzip – also mit „verlorenen Modellen“ und „verlorenen Formen“ – arbeitet. Das Verfahren ermöglicht es sehr komplexe Metallteile zu fertigen. Durch den Einsatz von Keramikschalen können auch hochschmelzende Legierungen vergossen werden. Dier Legierungspalette reicht von Buntmetallen bis hin zu den Edelstählen und Titan. Die Microteile haben in der Regel ein Gewicht von 0,01 – ca. 20 Gramm. Es besteht die Möglichkeit werkzeuglos – also direkt aus den CAD-Daten zu fertigen. Dieses Verfahren ist z.B. für das Prototyping von z.B. Stanzteilen einzusetzen. Für größere Stückzahlen (> 1 Mio. Teile) finden zur Herstellung der Modelle Spritzgusswerkzeuge Verwendung. Das primäre Ziel ist es die Produkte ohne spanende Nachbearbeitung „fertig“ zu gießen. Anwendung finden Microgussteile in Fahrzeugen, in Sicherheitsschlössern, in der Medizintechnik und in der Feinwerktechnik und Optik. Auf Grund der breiten Werkstoffpalette, welche mit diesem Verfahren verarbeitet werden kann, sind auch die Eigenschaften der Teile sehr genau einzustellen. So kann die Härte beispielsweise von 120 HV bis über 400 HV variieren. Die Zugfestigkeit kann über 1200 N/mm² betragen. Das Verfahren ermöglicht es auch dekorative Teile herzustellen. Diese werden in der Regel mechanisch oder von Hand poliert und anschließend galvanisiert. Sehr großen Wert wird bei Firma Nonnenmacher GmbH & Co. KG auf die Qualität der Produkte gelegt. Wegen der Vielstufigkeit des Verfahrens werden die Teile zu 100% geprüft. 116 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Der Vortrag zeigt den Prozessablauf und an einigen Beispiel-Teilen die Einsatzbereiche dieses Verfahrens. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 123 Nur die vom BMWi autorisierten Beratungsunternehmen dürfen die geförderten Leistungen erbringen. Fokus > Innovationsberatung zur Professionalisierung Ihres Innovationsmanagements http:// www.inno-beratung.de/ go-effizient Für KMU bis 249 Mitarbeiter und 50 Mio. Euro Jahres-Umsatz Zuschüsse für: Potenzialanalyse Stoffstromanalayse, Ermittlung der Materialverluste, materialeffiziente Produktgestaltung, Vorschlag geeigneter Maßnahmen. Vertiefungsberatung Detaillierte Maßnahmenplanung, vertiefte Analyse von Einsparpotenzialen, fachliche Umsetzungsbegleitung, Beratung zu Fördermöglichkeiten. Die Förderung erfolgt über Gutscheine, die 50 Prozent der Ausgaben für die Beratung abdecken. Sie sind damit vollwertiges Zahlungsersatzmittel. Der Wert des Gutscheins beträgt für eine Potenzialanalyse bis zu 17.000 €, für eine Vertiefungsberatung bis zu 80.000 € abzüglich des Gutscheinwertes der Potenzialanalyse. Fokus > Steigerung der Rohstoff- und Materialeffizienz http:// www.inno-beratung.de/ ZIM – Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand Ihre Perspektive für Innovationsaktivitäten Das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) ist seit dem 1. Juli 2008 das Basisprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) für die marktorientierte Technologieförderung kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU). Dabei ist jedes in Deutschland gemeldete Unternehmen, solange es weniger als 250 Mitarbeiter (bis Ende 2013 bis 500 Mitarbeiter) beschäftigt, grundsätzlich antragsberechtigt. Unter dem Motto „Impulse für Wachs- 124 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 tum“ sollen die Innovationskraft der mittelständischen Unternehmen nachhaltig gefördert und ein Beitrag für deren Wachstum und Wettbewerbsfähigkeit geleistet werden. Die Vorzüge von ZIM liegen in der Technologie- und Branchenoffenheit, der einfachen Antragsstellung, dem schnellen Bewilligungsverfahren, der sehr guten finanziellen Ausstattung und der kostenfreien Beratung durch die Projektträger des Förderprogramms. Zudem zeichnet sich das Programm durch eine hohe Bewilligungsquote aus, da bisher im Durchschnitt ¾ der Anträge bewilligt wurden. Grundsätzlich können einzelbetriebliche Vorhaben (ZIM-Einzelprojekte), ZIM- Kooperationsprojekte zwischen Unternehmen bzw. Unternehmen und Forschungseinrichtungen oder ZIM-Kooperationsnetzwerke gefördert werden. Da- bei sind die zuwendungsfähigen Kosten je Teilprojekt auf 350.000 Euro begrenzt, wobei Unternehmen mit Sitz in den alten Bundesländern eine Förderquote von bis zu 45% erhalten können. Auch bei der späteren Verwertung von Innovationen, die in einem ZIM-Projekte umgesetzt werden, kann das Förderprogramm wertvolle Hilfestellung leisten: So erhalten Unternehmen zusätzlich zur FuE-Förderung Zuschüsse von bis zu 25.000 Euro bzw. 37.500 Euro bei exportorientierte Projekten (bei einer Förderquote von max. 50%) für innovationsunterstützende Dienst- und Beratungsleistungen durch externe Dritte. Diese Leistungen können beispielsweise Messekosten, Schutzrechtsberatungen, Marketingmaßnahmen oder technische Unterstützungen umfassen. Anträge auf Förderung können kontinuierlich bis Ende 2014 gestellt werden. Nähere Informationen finden Sie unter www.zim-bmwi.de. Ansprechpartner für ZIM-Einzelprojekte und ZIM-Kooperationsnetzwerke: VDI/VDE Innovation + Technik GmbH Tel. 089 510 89 63 – 0 Tel. 030 310 078 – 407 [email protected] bzw. [email protected] 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 125 Ansprechpartner für ZIM-Kooperationsprojekte: AiF Projekt GmbH Tel. 030 481 63 – 451 [email protected] Ansprechpartner für die Erstinformation und Beratung zu allen FuE- Förderprogrammen und Effizienzprogrammen: Werner Morgenthaler Leiter Technologietransfer und Innovationsberatung IHK Nordschwarzwald Tel. 07231 201 157 [email protected] http://www.nordschwarzwald.ihk24.de 126 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 127 Daniel Carmine Manocchio Alfred Kärcher GmbH & Co. KG Aushärtbare korrosionsbeständige Chromstähle 128 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Daniel Carmine Manocchio - Geboren 1980 in Stuttgart - Ausbildung zum Metallografen, Berufskolleg für Metallografie am Max-Planck- Institut für Metallfoschung (heutiges MPI für Intelligente System), Abschluss 2000 - Bis 9/2001 Beschäftigung MPI MF in der Forschungsgruppe "Grenzflächen" von Herrn Prof. Rühle - 10/2001 Zivildienst - Seit September 2002 beschäftigt im zentralen Werkstofflabor der Alfred Kärcher GmbH & Co. KG, Winnenden - Dies seit 1/2010 als Fachreferent für Werkstofftechnik - Seit 1/2005 zusätzlich freier Dozent an der Technischen Akademie Esslingen - Seit 1/2008 Leiter des Arbeitskreises "Stuttgarter Metallografentreffen" unter der Schirmherrschaft der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 129 Inhaltsverzeichnis: 1!Einleitung .................................................................................................... 130! 2!Einteilung der Chromstähle ........................................................................ 130! 3!Die Korrosionsbeständigkeit der Chromstähle ........................................... 132! 3.1!Pitting Resistance Equivalent Number und Lochkorrosion .................. 132! 3.2!Sensibilisierung und interkristalline Korrosion ..................................... 133! 4!Prüfung der Korrosionsbeständigkeit ......................................................... 137! 4.1!Metallografische Untersuchung ........................................................... 137! 4.2!Salzsprühtest ....................................................................................... 140! 4.3!Genormte Prüfverfahren ...................................................................... 140! 4.4!Korrosionsversuch in siedendem Wasser ............................................ 140! 4.5!Essigsaurer Korrosionsversuch ........................................................... 141! Zusammenfassung Bei der Wärmebehandlung chromlegierter Vergütungsstähle befindet sich der Verarbeiter in einem Spannungsfeld zwischen den mechanischen Eigenschaften auf der einen, und den korrosionschemischen Eigenschaften auf der anderen Seite. Während die Einstellung der mechanischen Parameter durch die Wärmebehandlung als hinlänglich bekannt betrachtet werden kann, ist deren Auswirkung auf die Korrosionsbeständigkeit hingegen seltener im Fokus: Korrosionsbeständigkeit wird als feststehende Größe betrachtet. In diesem Beitrag werden neben dem Einfluss der Wärmebehandlung auf die chemische Beständigkeit verschiedene Verfahren zur Korrosionsprüfung vorgestellt und bewertet. Dabei stellt der Korrosionsversuch mit einer essigsauren Prüflösung den besten Kompromiss zwischen Aussagekraft und apparativem Aufwand dar. 130 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 1 Einleitung Ausgehend vom Anlagenbau der chemischen Industrie eroberten die korrosionsbeständigen Chromstähle in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Anwendungsfeldern in technischem und dekorativem Umfeld. Dies ist im Wesentlichen auf ihre große Spanne an einstellbaren Eigenschaften und natürlich ihren Preisvorteil gegenüber den höher legierten Chromnickel-Sorten zurückzuführen. So sind rostfreie Chromstähle im Alltag inzwischen durchaus als allgegenwärtig zu bezeichnen: Von den Messern in der heimischen Küche über die Auspuff- Anlage des eigenen Fahrzeugs bis hin zur Designer-Fassade moderner Gebäude - Chromstahl wird immer beliebter. Die Steigerung der Produktionsrate rostfreien Stahls trägt dieser Entwicklung Rechnung: In den beiden Dekaden zwischen 1990 und 2010 stieg sie von etwa 12,8 auf 31,1 Millionen Tonnen weltweit [1]. Allen Vertretern dieser Werkstoffgruppe ist gemein, dass es sich um Eisen- Basislegierungen mit einem Gehalt von nicht weniger als 12 Gewichts-% Chrom handelt - es stellt dies die technische Untergrenze zur Erlangung ihrer kennzeichnenden Eigenschaft, der Korrosionsbeständigkeit, dar. Dieser Chromgehalt wird auch als Resistenzgrenze bezeichnet. Durch weitere Legierungselemente werden die übrigen Eigenschaften eingestellt; Kohlenstoff vor allem der Härtbarkeit wegen. Trotz ihrer bereits recht guten Korrosionsbeständigkeit kommt es in sämtlichen Einsatzbereichen bisweilen zu Reklamationen durch Korrosionsschäden. Durch eine adäquate Werkstoffauswahl und -Behandlung wären diese jedoch in vielen Fällen zu verhindern gewesen. Im Folgenden sei auf die dazu notwendigen Überlegungen hingewiesen. 2 Einteilung der Chromstähle Entsprechend EN 10088-1 sind rostfreie Chromstähle je nach Zusammensetzung - mit wenigen Ausnahmen - in dem Werkstoffnummern-Bereich zwischen 1.4001 und 1.4199 verortet [2]. Aus metallkundlicher Sicht lassen sie sich jedoch übersichtlicher in ferritische und martensitische Güten einteilen. Dies entspricht zudem eher ihren Anwendungsgebieten. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 131 Kennzeichnend für die ferritischen Sorten ist ihr niedriger Kohlenstoff-Gehalt von weniger als 0,1 Gewichts-% und die daher fehlende Härtbarkeit. Dieser Nachteil wird von einer deutlich höheren Korrosionsbeständigkeit, Warm- und Kaltumformbarkeit sowie Schweißbarkeit aufgewogen. Somit finden diese Sorten häufig Anwendung, wenn die Ansprüche an Festigkeiten denen an Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit untergeordnet sind. Es gilt dies beispielsweise für Auspuffanlagen oder Verrohrungen und Fittings. Die martensitischen Sorten mit ihren höheren Kohlenstoffgehalten verhalten sich zu den ferritischen Sorten komplementär. Die Härtbarkeit geht bei diesen Sorten mit einer verschlechterten Bearbeitbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit einher. Ihre Anwendung ist bei mäßiger Korrosionslast, dafür aber erhöhten Anforderungen an Verschleißbeständigkeit und Festigkeit, indiziert. Typische Anwendungen dieser Sorten sind Messer, Kolben in Hydraulikpumpen oder Kunststoffspritzgieß-Werkzeuge. Eine schematische Übersicht über den "Stammbaum" gängiger Sorten und deren Zusammensetzung zeigt Abbildung 1. Abbildung 1 Schematischer Stammbaum der Chromstähle 132 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Grundsätzlich lässt sich konstatieren, dass mit steigendem Kohlenstoff-Gehalt Festigkeit und Verschleißbeständigkeit des Materials steigen, während mit steigendem Gehalt aller carbidbildenden Elementen (Cr, Mo, Ti, Nb) die Korrosionsbeständigkeit verbessert wird. Zusätze an Schwefel bilden nichtmetallische Einschlüsse vom Typ MnS, welche spanbrechende Wirkung besitzen. Die dadurch verbesserte spanabhebende Bearbeitbarkeit hat jedoch eine deutlich reduzierte Korrosionsbeständigkeit zur Folge. 3 Die Korrosionsbeständigkeit der Chromstähle Die Korrosionsbeständigkeit der Chromstähle beruht auf einer wenige Nanometer starken, aber dichten Passivschicht aus chromreichen Metalloxiden und -Hydroxiden. Bei Beschädigung heilt diese Schicht sowohl in gasförmigen als auch in wässrigen Medien spontan aus, sofern ein ausreichendes Angebot an Sauerstoff vorliegt. Hierzu ist allerdings ein Anteil von rund 10,5 Gewichts-% in der Matrix gelösten Chroms nötig. 3.1 Pitting Resistance Equivalent Number und Lochkorrosion In wässriger Lösung sind Halogenidionen in der Lage, die Bildung dieser Passivschicht zu stören. Durch ihre Fähigkeit, die Komplexierung der Metallhydroxid-Gruppen zu unterbinden, bewirken sie lokale Unterbrechungen der Passivschicht - Lochkorrosion ist die Folge. Höhere Gehalte an Chrom und Molybdän bewirken eine Stabilisierung der Hydroxidschicht und wirken somit diesem Korrosionsmechanismus entgegen. Zur Abschätzung der Beständigkeit gegen Lochkorrosion wurde die Pitting Resistance Equivalent Number (kurz PREN, im Deutschen auch Wirksumme genannt) eingeführt. Je höher dieser Wert ist, umso höher ist die zu erwartende Beständigkeit des Materials gegen Lochkorrosion. Die PREN berechnet sich aus gewichteten Faktoren der hinsichtlich Lochkorrosion relevantesten Legierungselemente Chrom, Molybdän und Stickstoff: PREN = %Cr + 3,3*%Mo + 16*N Nach dieser Berechnung, die in Tabelle 1 exemplarisch für einige Sorten durchgeführt wurde, erklärt sich die erhöhte Korrosionsbeständigkeit der höher 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 139 Abbildung 6 Ätzung nach Murakami, 50 °C, 20 Minuten Ätzdauer. Deutliche Entwicklung der Karbidbelegung auf den ehemaligen Austenit-Korngrenzen, jedoch keine Entwicklung des Sekundärgefüges. Abbildung 7 Ätzung V2A-Beize, 50 °C, 60 Sekunden Ätzdauer. Gleich Probe wie in Bild 6; Mangelhafter Kontrast zwischen Sekundärgefüge und ehemaligen Austenit-Korngrenzen. 140 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 4.2 Salzsprühtest Sowohl der neutrale Salzsprühtest NSS ("neutral salt spray"), als auch die essigsaure Variante AASS ("acetic acid salt spray") und der kupferbeschleunigte CASS ("copper accelerated salt spray") wurden ursprünglich für die Prüfung von Korrosionsschutz-Überzügen konzipiert, werden aber zuweilen auch für die Prüfung von Chromstählen verwendet. Die Aussagekraft solcher Tests ist jedoch häufig mangelhaft, da im Wesentlichen die Beständigkeit gegen Chloride getestet wird. In den auftretenden Korrosionserscheinungen dominiert in der Regel die chloridinduzierte Lochkorrosion, so dass zur Beständigkeit gegen IK keine Erkenntnisse zu ermitteln sind. Darüber hinaus lässt sich die Beständigkeit des Materials gegen Lochkorrosion auch durch Ermittlung der PREN mit hinreichender Genauigkeit abschätzen. 4.3 Genormte Prüfverfahren Die genormten Korrosionstests wie etwa der Huey- [9], Strauß- [10] oder der Streicher-Test [11] sind originär für die Prüfung austenitischer CrNi-Sorten ausgelegt und für die lediglich chromlegierten Sorten deutlich zu scharf. Mit stark verkürzten Prüfdauern lassen sich jedoch in Sonderfällen durchaus qualitative Vergleiche erzielen. Aufgrund der bei verkürzten Prüfungen üblicherweise recht großen Streuungen finden diese jedoch für Chromstähle quasi keine Anwendung. 4.4 Korrosionsversuch in siedendem Wasser Dieser Korrosionsversuch stellt die mildeste Form der Prüfung rostfreier Chromstähle dar und ist vor allem für Haushaltsartikel wie Messer gängig. Hierbei wird der Prüfling über einen Zeitraum von 24 Stunden in demineralisiertes, kochendes Wasser eingetaucht. Nach Ablauf der Prüfdauer wird der Prüfling entnommen, getrocknet und makroskopisch auf Korrosionsspuren untersucht. Solche sollten nicht aufzufinden sein. Varietäten dieser Prüfung, beispielsweise mit definierter Belastung relevanter Chemikalien, sind bei produktionsbegleitenden Prüfungen absolut üblich. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 141 4.5 Essigsaurer Korrosionsversuch Dieser Korrosionsversuch stellt - obgleich es sich nicht um eine genormte Prüfung handelt - einen gängigen und durchaus sinnvollen Test zur Prüfung der allgemeinen Korrosionsbeständigkeit und der Beständigkeit gegen IK im Besonderen dar. Insgesamt stellt diese Methode vor allem für routinemäßige, vergleichende Untersuchungen ein wirkungsvolles Werkzeug dar. Für die Laborpraxis vorteilhaft ist zudem das insbesondere zu den genormten Prüfmethoden ungleich geringere Gefährdungspotenzial der Prüflösung. Zur Prüfung wird neben einer Heizvorrichtung und einem Glasbehälter für Prüflösung und Prüfling lediglich ein Kühler nach Allihn mit mindestens acht Kugeln benötigt. Der Prüfling sollte allseitig fein geschliffen sein. Die Prüflösung wird als wässrige Essigsäurelösung angesetzt und sollte der zu erwartenden Korrosionsbeständigkeit angepasst sein. Für vergütbare 13%ige Chromstähle hat sich in der Praxis eine 5%ige, für 17%ige Chromstähle eine 20%ige Lösung bewährt. Nach Ermittlung der Oberfläche und des Ausgangsgewichts wird die Probe für eine definierte Zeitspanne, beispielsweise 24 Stunden, in die siedende Prüflösung getaucht. Im Anschluss an die Prüfdauer wird die Probe der Lösung entnommen und mehrstufig in Aceton im Ultraschallbad gereinigt, bis keine Trübung des Lösungsmittels mehr erkennbar ist. Hernach wird die Probe getrocknet, gewogen und der Massenverlust auf eine Fläche von einem Quadratmeter und eine Zeiteinheit von einer Stunde normiert. Ferner kann es sinnvoll sein, die dominierende Art des korrosiven Angriffs (Loch- oder interkristalline Korrosion) licht- oder elektronenmikroskopisch zu dokumentieren. Beispielhaft sei dies in den Abbildungen 8 und 9 dargestellt. Bei wiederkehrenden Prüfungen im Rahmen einer Produktionskontrolle ist zudem die Erstellung einer innerbetrieblichen Richtreihe zur Bewertung der Angriffsstärke empfohlen. 142 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Abbildung 8 REM-Aufnahme eines sensibilisierend geglühten 13%igen Chromstahls mit 0,4 % Kohlenstoff nach 24 Stunden in 5%iger siedender Essigsäurelösung. Weit fortgeschrittene IK. Abbildung 9 REM-Aufnahme wie Abbildung 8, jedoch im gehärteten und nur thermisch entspannten Zustand. Quasi frei von IK, lediglich leichte Lochkorrosion. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 143 Dieser Versuch wird in der Literatur sehr häufig referenziert, so dass die Ergebnisse oftmals direkt vergleichbar sind. Vor allem bei undefinierten Oberflächenzuständen schwanken die Ergebnisse jedoch bisweilen, was erneute Prüfungen zur Verifikation nötig macht. Literatur [1] Informationsstelle Edelstahl Rostfrei (2012); Merkblatt 821, Edelstahl Rostfrei - Eigenschaften, 4. Auflage 2006, aktualisierter Nachdruck von 2012, Seite 1. [2] DIN EN 10088-1:2005; Nichtrostende Stähle - Teil 1: Verzeichnis der nichtrostenden Stähle [3] Bäumel und Carius (1961); Zusammenhang zwischen Anlassbehandlung und Korrosionsverhalten von härtbaren nichtrostenden Chromstählen, Bericht Nr. 1265 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute [4] Bäumel (1967); Korrosionsverhalten nichtrostender Vergütungsstähle mit rund 13% Chrom, Sonderdruck aus Werkstoffe und Korrosion [5-8] Petzow(1994); Metallografisches, keramografisches, plastografisches Ätzen, Gebrüder Bornträger, Berlin. [9] DIN EN ISO 3651-1:1998-08; Ermittlung der Beständigkeit nichtrostender Stähle gegen interkristalline Korrosion - Teil 1: Nichtrostende austenitische und ferritischaustenitische (Duplex)-Stähle; Korrosionsversuch in Salpetersäure durch Messung des Massenverlustes (Huey-Test) 144 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 [10] DIN EN ISO 3651-2:1998-08; Ermittlung der Beständigkeit nichtrostender Stähle gegen interkristalline Korrosion - Teil 2: Nichtrostende austenitische und ferritischaustenitische (Duplex)-Stähle; Korrosionsversuch in schwefelsäurehaltigen Medien (Strauss-Test) [11] ASTM G 28:2002; Standard Test Methods for Detecting Susceptibility to Intergranular Corrosion in Wrought, Nickel-Rich, Chromium-Bearing Alloys (Streicher- Test) 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 145 Daniel Wyn Müller, Alexander Martin Matz, Norbert Jost Offenporige Metallschäume – Eigenschaften und mögliche Anwendungen 146 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 B. eng. Daniel W. Müller geboren am 07.09.1987. Von 2007 bis 2011 studierte er allg. Maschinenbau mit einer Vertiefung im Bereich der Produktentwicklung an der Hochschule Pforzheim mit dem Abschluss Bachelor of Engineering. Die Abschlussarbeit mit dem Titel „Titanschäume als Knochenimplantat“ wurde mit dem Polyrack Tech A- ward 2012 ausgezeichnet. Nach dem er während des Studiums bereits erste Erfahrungen bei der Mitarbeit in diversen drittmittelgeförderten Projekten im Labor für Werkstoffentwicklung und Prüfung der Hochschule Pforzheim sammeln konnte, ist er seit 2011 Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Labors Werkstoffentwicklung und Prüfung der Hochschule Pforzheim mit dem Aufgabenschwerpunkt offenporige zelluläre Metallstrukturen in medizintechnischer Anwendung. 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 147 Inhaltsverzeichnis 1!Einleitung .................................................................................................... 149! 2!Offenporige Metallschäume ........................................................................ 149! 2.1!Definition .............................................................................................. 149! 2.2!Struktur ................................................................................................ 150! 3!Herstellung ................................................................................................. 153! 4!Charakterisierung ....................................................................................... 154! 4.1!Strukturbezogene Eigenschaften ......................................................... 154! 4.1.1!Mechanische Eigenschaften ......................................................... 154! 4.1.2!Physikalische Eigenschaften ........................................................ 156! 4.2!Interaktionseigenschaften .................................................................... 157! 4.2.1!Adaption und Integration ............................................................... 157! 4.2.2!Wärmeleitung ................................................................................ 157! 4.2.3!Konvektion .................................................................................... 158! 5!Potentielle Einsatzgebiete .......................................................................... 159! 5.1!Mechanische Anwendungen ................................................................ 159! 5.1.1!Leichtbaukonstruktionen ............................................................... 159! 5.1.2!Energieabsorber ........................................................................... 159! 5.2!Thermische Anwendungen .................................................................. 160! 5.2.1!Wärmespeicher ............................................................................. 160! 5.2.2!Wärmetauscher ............................................................................ 161! 5.3!Medizinische Anwendungen ................................................................ 162! 5.3.1!Autarke Implantatsysteme ............................................................ 162! 5.3.2!Additive Implantatverankerung ..................................................... 163! 6!Schlussfolgerung und Diskussion ............................................................... 164! 148 1. Pforzheimer Werkstofftag 2012 Zusammenfassung Die moderne technische Entwicklung zeigt einen zunehmenden Trend hin zur Systemverfeinerung und -miniaturisierung, wodurch die Anforderungen an einzelne Komponten steigen. Vor allem die Integration verschiedener systematischer Funktionen in einem Bauteil erlangt dabei stets größere Bedeutung, insbesondere in Hinblick auf struktur- und material-wissenschaftliche Optimierungen. In diesem Zusammenhang steigt zunehmend das Interesse an neuen innovativen Materialien. Offenporige Metallschäume eröffnen dabei durch ihre vielfältige Kombination von werkstoff-wissenschaftlichen mit strukturellen Eigenschaften ganz neuartige Anwendungsmöglichkeiten, die bisher in einem solchen Maße nicht realisierbar waren. Für einen umfassenden Überblick werden in der vorliegenden Arbeitdie offenporigen Metallschäume zunächst in ihrem Struktur- und Eigenschaftsprofil definiert, sowie auf deren Herstellung eingegangen. Ergänzt durch die Breite der Einsatzmöglichkeiten und fundiert durch den Stand der Technik und Forschung wird das enorme wissenschaftliche und technische Potential dieser Werkstoffgruppe verdeutlicht.