Gefügeanalyse – Mr. Caliper erklärt Ihnen wie es geht!

Mr. Caliper, was ist eigentlich eine Gefügeanalyse?

Bei einer Gefügeanalyse wird die Mikrostruktur eines Bauteils untersucht. Dafür muss ein hochwertiger Schliff erstellt und die Mikrostruktur durch eine Ätzung mit einer geeigneten Säure sichtbar gemacht werden. Dieser Schliff wird an einem Auflichtmikroskop untersucht. Die Mikrostruktur bildet sich beim Wärmebehandlungsprozess und lässt Rückschlüsse darüber zu, ob Prozessfehler aufgetreten sind. Normalerweise kann auch festgestellt werden, in welchem Prozessschritt das Problem liegt.

Warum ist das wichtig?

Die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils werden maßgeblich von dem Wärmebehandlungsprozess und somit von der Gefügestruktur bestimmt. Eine Gefügeanalyse ist vor allem dann hilfreich, wenn der Wärmebehandlungsprozess begutachtet oder eine Fehleranalyse durchgeführt werden soll.

Welche Arten der Gefügeanalyse kann ich im akkreditierten Labor der Würth Industrie Service durchführen lassen?

Wir sind für die Gefügeanalyse an Verbindungselementen aus niedrig legiertem Stahl spezialisiert und können z.B. Anforderungen der DIN EN ISO 898-1 abdecken. Hierzu zählen:

  • Der Martensitgehalt im Kernbereich
  • Die Bestimmung einer Auf- bzw. Abkohlung
  • Der Nachweis von Delta-Ferrit (nur für die Festigkeitsklasse 12.9 definiert)
  • Oberflächenfehler und Gewindeüberwalzungen (DIN EN 26157 Teil 1 & Teil 3)
  • Korngrößenbestimmung (DIN EN ISO 643)

Prüfablauf

Mr. Caliper steht schon in den Startlöchern, um Ihnen die Gefügeanalyse von Produkten zu erklären. Lernen Sie jetzt die einzelnen Schritte im Detail kennen!

Eignungsprüfung (anhand einer Schraube)
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Bei der Eignungsprüfung müssen, wie bei allen anderen Prüfverfahren auch, die Prüfstelle und die Anforderungen definiert sein. Insbesondere die Prüfstelle ist enorm wichtig. Zum Beispiel muss für die Kontrolle einer Auf- bzw. Abkohlung oder Gewindeüberwalzung ein Längsschliff im Gewindebereich hergestellt werden. Für die Bestimmung des Martensitanteils oder Delta-Ferrit ist ein Querschliff von Vorteil.

Probenvorbereitung: Trennen
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Zuerst wird das Muster, je nach Prüfanforderung, in einem Längs- und/oder Querschliff getrennt. Bei dem Trennvorgang muss auf eine ausreichende Kühlung geachtet werden. Beide Schliffarten erfolgen normalerweise 1xd (Durchmesser) vom Gewindeende entfernt.

Probevorbereitung: Abbeizen
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Da eine mögliche Oberflächenbeschichtung die Gefügeanalyse verfälschen kann, wird das Muster abgebeizt. Hierzu verwenden wir eine ca. 30%ige Salzsäure und legen das Muster, je nach Beschichtung, für wenige Sekunden bis hin zu einigen Minuten in die Salzsäure. Diese greift die Beschichtung an und löst diese auf. Wichtig zu beachten ist, dass das Muster nicht zu lange der Säure ausgesetzt ist. Sobald die Beschichtung entfernt wurde, greift die Salzsäure das Grundmaterial an. Im Anschluss wird das Muster mit Wasser abgespült und getrocknet.

Probenvorbereitung: Einbetten
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Das Einbetten erfolgt mit einem hochwertigen Granulat, das sich besonders eng an die Probe anlegt und somit die Spaltbildung verringert. Da der vorbereitete Schliff später angeätzt wird, ist es wichtig, dass sich kein Spalt zwischen dem Muster und dem Einbettmittel bildet. Dies führt zu Ätzflecken und erschwert die Gefügeanalyse.

Probenvorbereitung: Schleifen und polieren
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Wir benutzen eine Schleif- und Poliermaschine, welche ausschließlich für die Gefügeanalyse verwendet wird. Das Schleifen und Polieren erfolgt in mehreren Stufen. Von grob zu fein benutzen wir Schleifscheiben ab P80 und enden mit einer 3μm Diamantsuspension. Zwischen den einzelnen Stufen wird das Muster und der Probenhalter gereinigt um Verschleppungen zu vermeiden. Eine nahezu kratzerfreie Oberfläche ist nötig, um eine Gefügeanalyse durchzuführen.

Probenvorbereitung: Ätzen
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Damit die Struktur des Gefüges sichtbar wird, muss das Muster mit einer schwachen 3%igen Salpetersäure für wenige Sekunden kontrastiert werden. Anschließend wird die Probe erneut gereinigt. Um Wasserflecken zu vermeiden, wird die Oberfläche nach der Reinigung mit Ethanol besprüht und unter einem Föhn getrocknet. Falls der Ätzvorgang zu lange durchgeführt wurde, müssen wir das Muster erneut polieren und den Vorgang wiederholen.

Prüfmaschine einrichten
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Die vorbereitete Probe wird mit Hilfe von Knetmasse und einem Stempel auf einer ebenen Platte befestigt, da die Ebenheit für die Bildqualität sehr wichtig ist.
Das Mikroskop wird in regelmäßigen Abständen gewartet und mit einem rückführbaren Glasmaßstab überwacht.

Prüfung durchführen
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Die vorbereitete Probe wird unter das Mikroskop gelegt und unter Beleuchtung mit verschiedenen Vergrößerungen analysiert. Hierbei ist es ratsam, sich mit einer kleinen Vergrößerung (z.B. 50x) einen Überblick zu verschaffen. Anschließend werden auffällige Stellen mit größeren Objektiven begutachtet. Unser Mikroskop hat folgende Vergrößerungsmöglichkeiten: 50x, 100x, 200x, 500x, 1000x. Da die Auswertung hauptsächlich durch den geschulten Blick des Mitarbeiters erfolgt und nur in manchen Fällen wirkliche Messwerte erzeugt werden (z.B. bei der Vermessung der Auskohlungstiefe oder von Schichtdicken), ist die Qualifikation des Prüfers unabdingbar. Daher hat die Würth Industrie Service im Jahr 2012 mit der Ausbildung von Werkstoffprüfern begonnen und seitdem jedes Jahr erfolgreich weitergeführt.

Ergebnisbeurteilung
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Im Prüfprotokoll findet, wie immer, eine Beschreibung des zu prüfenden Artikels statt. Zudem gibt es eine kurze Beschreibung, wie das Muster vorbereitet und welches Ätzmedium verwendet wurde. Alle untersuchten Merkmale werden in dem Protokoll aufgelistet und inklusive einer Bilddokumentation bewertet.

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Gesamtübersicht der Prüfungen

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