Zerstörungsfreie Prüfverfahren werden nicht nur standardmäßig zur Fertigungskontrolle und Betriebsüberwachung eingesetzt, sondern erfüllen zunehmend wichtige Aufgaben bei der Entwicklung neuer Werkstoffe, Produkte und Verfahren [1]. Die folgenden Ausführungen stellen dafür ein auf die Ultraschallprüfung bezogenes Beispiel dar. Gegenstand der Untersuchungen sind Aktivelemente für Anlagen zum Baustoffrecycling wie beispielsweise Schlagleisten und Prallplatten in Brecheranlagen, die für eine effektive Aufbereitung von Baustoffrestmassen erforderlich sind. Hierfür sollen durch Werkstoffkombination und Werkstoffbehandlung bei einer möglichst rationellen Fertigung verschleißbeständige Bauteile mit hohen Standzeiten entwickelt werden. Dabei müssen an die Bauteile widersprüchliche Anforderungen wie hohe Verschleißbeständigkeit, das heißt hohe Härte, bei hoher Bruchsicherheit (Zähigkeit) gestellt werden, die von einem Werkstoff nicht zu erfüllen sind [2]. Die Ultraschalluntersuchungen an diesen Aktivelementen ordnen sich in das Programm zur Werkstoffcharakterisierung der Mikro- und Makrostruktur sowie der Eigenschaften ein, das metallographische, elektronenmikroskopische, Härte- und bruchmechanische sowie Verschleißuntersuchungen beinhaltet.

Inhalt

• Abstrakt
  
• Untersuchungsobjekte
  
• Verbundgießen
  
• Ultraschalluntersuchungen
  
• Ergebnisse
  
• Fazit
  
• Literatur
  

Untersuchungsobjekte

Die Untersuchungen erfolgen an verbundgegossenen Platten aus einem Stahlgrundkörper (gewalztes Blech aus C 45) und dem aufgegossenem Chromgußeisen G-X 300 CrMo 15 3 mit einer Dicke von jeweils etwa 15mm. Eine schematische Darstellung der Untersuchungsobjekte zeigt Bild 1.


Bild 1: Prinzipbild Verbundguß

Dieser Werkstoffverbund aus einem zähen unlegierten Stahl mit dem sehr verschleißbeständigen aber spröden Chromgußeisen soll die Eigenschaften der beiden Werkstoffe so kombinieren, daß ein hoher Widerstand gegen abrasiven und Prallverschleiß mit guten Festigkeitseigenschaften und ausreichender Duktilität sowie Bruchsicherheit besonders bei schlagartiger Beanspruchung erzielt wird. Entscheidende Voraussetzung für die angestrebte Eigenschaftskombination ist eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Werkstoffe. In der Vergangenheit wurde versucht, dies durch Löten, Kleben oder Schweißen zu erreichen [3]. Eine besonders effektive Herstellung kann durch Verbundgießen erfolgen, womit eine Alternative zum ausschließlichen Einsatz nur einer Werkstoffkomponente oder konventionellen Fertigungsmöglichkeiten, wie z.B. mehrlagigem Auftragsschweißen entsteht.

Verbundgießen

Verbundgießen ist die Fertigung metallischer Werkstoffverbunde durch gleichzeitiges oder aufeinanderfolgendes Gießen verschiedener Schmelzen in eine Form oder durch das Angießen eines Ergänzungsstücks an ein Werkstück [4]. Im vorliegenden Fall erfolgt das Verbundgießen in der letzteren Art durch Aufgießen des schmelzflüssigen Chromgußeisens auf den vorgewärmten Stahlgrundkörper in einer Kokille. Die Entwicklung der Gießtechnologie sowie die metallurgischen und fertigungstechnischen Untersuchungen hierzu werden im Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung der Universität Magdeburg durchgeführt [5]. Das zur Verfügung stehende Probenmaterial resultiert aus der Variation verschiedener gießtechnische Parameter, die z.B. Vorwärm- und Gießtemperaturen, Abkühlbedingungen und den Einsatz unterschiedlicher Flußmittel umfassen.

Ultraschalluntersuchungen

Mit den Ultraschalluntersuchungen sollen die Eigenschaften des hergestellten Verbundes in Abhängigkeit von den unterschiedlich gewählten Fertigungsparametern charakterisiert werden. Besonderes Interesse besteht im Nachweis von Bindungsverlusten zwischen den Komponenten und der Charakterisierung der Grenzflächenverhältnisse. Hierfür werden verschiedene Prüftechniken angewendet. Es handelt sich dabei um Prüfungen in Impuls-Echo-Technik mittels Senkrechtprüfkopf und einer Durchschallungsanordnung mit Winkelprüfköpfen zur Erfassung von Streuanzeigen mit jeweils nachfolgender Darstellung als C- und D-Bild. In den Bildern 2 und 3 sind die beiden Prüftechniken schematisch dargestellt. Erfaßt wird dabei durch gezielte Blendenpositionierung entweder der Bereich um die Grenzfläche bzw. bei den Streuungsuntersuchungen auch Bereiche anderer Tiefenlagen. Um eine hohe Auflösung lateral und in Tiefenrichtung zu erreichen, wird als Senkrechtprüfkopf ein hochbedämpfter Prüfkopf mit einer Prüffrequenz von 10 MHz verwendet.

Bild 2: Prüftechnik Reflexion	Bild 3: Prüftechnik Streuung

Als Prüfkopfkombination für die Streuungsmessungen werden konventionelle Miniaturwinkelprüfköpfe 45°, 4 MHz eingesetzt. Um den Einfluß der durch thermische Einwirkung beim Fertigen entstandenen Verformungen der Probenplatten auf die Ultraschallmessungen zu minimieren, wird in Kontakttechnik mit fester Vorlaufstrecke gearbeitet und die Blendenpositionierung durch das Eintrittsecho getriggert.

Geprüft wird jeweils von der Seite des Stahlgrundkörpers aus, da die Gußoberfläche und die hohe Schallschwächung des Chromgußeisens (a= 450 dB/m für Longitudinalwellen bei 5 MHz) eine Prüfung von dieser Seite nicht zulassen. Ferner werden für weitere Untersuchungen Spezialtechniken zur Rißtiefenmessung mit Ultraschall angewendet und Schallgeschwindigkeits- und Schallschwächungsmessungen durchgeführt.

Ergebnisse

Durch die Ultraschalluntersuchungen können Bereiche mangelhafter Bindung mit guter Ortsauflösung und Reproduzierbarkeit nachgewiesen werden. Das beispielhaft in Bild 4a) dargestellte C-Bild einer Verbundgußplatte zeigt die Lage, Verteilung und Häufigkeit der aufgetretenen Bindefehler. Durch Auswertung der Amplituden der Fehleranzeigen im C-Bild sind weitere Rückschlüsse auf die Fehlerart möglich. Aus der Zusammensetzung des Flußmittels wird ein Wellenwiderstand von etwa 12*106 kg/m²s abgeschätzt, so daß sich für Flußmittel- bzw. Schlackeneinschlüsse ein Reflexionsfaktor um 0,6 ergibt. Damit kann aus den örtlichen Unterschieden der Echohöhe auf das überwiegende Auftreten von derartigen Einschlüssen geschlossen werden. Diese Aussagen werden durch gezielt positionierte Querschliffe bestätigt. Im Bild 4b) ist beispielhaft ein Querschliff dargestellt, der zeigt, daß es sich bei den im C-Bild abzeichnenden Bindefehlern um Flußmittel- bzw. Schlackeneinschlüsse mit durch Ausgasung entstandenen Hohlräumen handelt, wobei letztere sich erwartungsgemäß durch das beste Reflexionsvermögen im Ultraschallbild auszeichnen.

Bild 4a): C-Bild Reflexion	Bild 4b): Querschliff Bindefehler an gekennzeichneter Stelle
Bild 5: D-Bild Reflexion	Die gleichzeitig mit den C-Bildern aufgenommenen D-Bilder verdeutlichen durch ihre flächenhafte Darstellung der Fehlertiefe noch eindeutiger als die C-Bilder die Verteilung der Bindefehler über die Prüffläche, was in Bild 5 erkennbar wird.

Die Ultraschallstreuanzeigen sollen weitergehende Informationen zu den Grenzflächenverhältnissen in den bindefehlerfreien Bereichen liefern. Die Verstärkungseinstellung des Ultraschallprüfsystems ist dabei so, daß in den nicht interessierenden Bereichen der Bindefehler die Anzeigen übersteuert dargestellt sind. Aus den Streuanzeigen ergeben sich Korrelationen zur örtlichen Aufschmelzung des Stahlgrundkörpers durch das Chromgußeisen beim Gießprozeß. In Bild 6 zeichnet sich der im Querschliff deutlich erkennbare Bereich der Aufschmelzung als Bereich besonders niedriger Streuamplituden im C-Bild ab. Somit können anhand der Ultraschallbilder die Größe dieser Bereiche in der Plattenebene zerstörungsfrei ermittelt werden.

Bild 6a): C-Bild Streuung

Bild 6b): Querschliff Aufschmelzung an gekennzeichneter Stelle

In den D-Bildern der Streuanzeigen wird darüber hinaus ersichtlich, daß im Bereich der Aufschmelzungen auch gehäuft Streuanzeigen aus größerer Tiefe, also aus dem Chromgußeisen auftreten. Nach Trennen der Proben konnten den aus den D-Bildern ermittelten Tiefenbereichen zuverlässig das Auftreten von Mikrolunkern im Chromgußeisen zugeordnet werden, was in Bild 7 ersichtlich wird.

Bild 7a): D-Bild Streuung

Bild 7b): Querschliff Mikrolunker an gekennzeichneter Stelle

Eine weitere Aufgabenstellung für die Ultraschalluntersuchungen sind Rißtiefenmessungen. An präparierten Proben waren nach dem Trennvorgang an den Schnittflächen des Chromgußeisens Risse sichtbar, deren Tiefenausdehnung ermittelt werden muß. Hierzu wird eine Rayleighwellentechnik eingesetzt und durch Laufzeitmessung des Rißspitzenechos die Rißtiefe ermittelt. Redundante Messungen mit schräg eingeschallten Transversalwellen zeigen gleicherweise, daß die Rißtiefen wenige Millimeter betragen.

Eine wichtige zu bestimmende Größe für bruchmechanische Versuche und Konstruktionsberechnungen ist der Elastizitätsmodul im Chromgußeisen. Nach den bekannten Beziehungen kann dieser Kennwert durch Messung der Schallgeschwindigkeiten von Longitudinalwelle und Transversalwelle sowie der Dichte ermittelt werden. Hierfür sind bei den dazu erforderlichen Laufzeitmessungen schallschwächungsbedingte Impulsverformungen, die zu Triggerpunktverschiebungen führen, besonders zu beachten. Eine Fehlerrechnung mit den auftretenden Einzelunsicherheiten ergab, daß die resultierenden Abweichungen mit +/-4 GPa den Anforderungen der zu erreichenden Genauigkeit entsprechen. Insgesamt ermöglichen die gewonnen Ultraschallergebnisse eine effektive und gezielte Probenwahl und Gestaltung nachfolgender Untersuchungen. Es muß besonders in Betracht gezogen werden, daß sich aufgrund der Härte und Verschleißbeständigkeit des Chromgußeisens die Probenanfertigung extrem aufwendig gestaltet, so daß hier eine Optimierung des zeit- und gerätetechnischen Aufwand von Bedeutung ist. Ferner wird die Aussagefähigkeit nachfolgender Versuche gesichert, z.B. durch Vermeiden unerwünscht fehlerbehafteter Probenbereiche bei bruchmechanischen Untersuchungen.

Neben den Aussagen zur Werkstoffcharakterisierung können auch interessante Beziehungen zu gießtechnischen Parametern gewonnen werden. So kann bereits aus den in Impuls-Echo-Technik gewonnenen C-Bildern auf die Position des Gießstrahls geschlossen und sein Einwirkungsbereich erfaßt werden. Es ergeben sich Korrelationen der Fehlerhäufigkeit und -lage zu Parametern wie Gießtemperatur, Vorwärmtemperatur und Art des Flußmittels. Damit werden gezielt Bewertungen und Veränderungen der Gießtechnologie ermöglicht.

Fazit

Insgesamt können mit den Ergebnissen der Ultraschallprüfungen frühzeitig wertvolle Informationen zum Verbundguß gewonnen werden. Es sind unmittelbar Aussagen zur werkstoffseitigen Charakterisierung und zur verfahrenstechnischen Entwicklung gegeben. Gleichzeitig ist eine Optimierung nachfolgender Untersuchungen möglich und es können interessierende Eigenschaften und Kennwerte schnell zerstörungsfrei ermittelt werden.

Diese Arbeit entstand im Rahmen des durch die DFG und dem LSA geförderten Teilprojekts "Werkstoffcharakterisierung" des Sonderforschungsbereiches 385 "Baustoffrecycling" im Institut für Werkstofftechnik und Werkstoffprüfung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

LITERATUR

1. Kröning, M. Neue Aufgaben für die ZfP: DGZfP-Jahrestagung 1990, Trier, S. 8-38
2. Motz, J. M.; Christianus, D. Schlagbeanspruchte Werkstoffe für die Aufbereitung von Altautos und von Bauschutt: VDI-Berichte 773: Werkstoffe für die Umwelttechnik; VDI-Verlag Düsseldorf 1990 S. 1-31
3. Norman, T. E.; Röhrig, K. Verschleißfeste martensitische Chromgußeisen: Aufbereitungstechnik (1970),6, S. 356-364
4. Ißleib, A.; Friedel, A.; Lubojanski, I. Verbundgießen für Verschleißteile - Stand und Zukunftsaussichten: Gießerei-Praxis (1995), 7/8, S. 146-150
5. Lubojanski, I.; Friedel, A.; Ißleib, A.; Ambos, E. Grundlagen zum Verbundgießen plattenförmiger Bauteile Vorträge zum Kolloquium des Sonderforschungsbereiches 385 "Baustoffrecycling" der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg am 08.02.1996 / Preprint Nr. 3, S.50-55

Dr. - Ing. Jürgen Pohl , Juergen.Pohl@Masch-Bau.Uni-Magdeburg.DE	Dipl.Ing. Dirk Wiedemann, Dirk.Wiedemann@Masch-Bau.Uni-Magdeburg.DE	Prof. Dr. - Ing. habil. Karl-Otto Prietzel, Karl-Otto.Prietzel@Masch-Bau.Uni-Magdeburg.DE
Die Autoren sind wissenschaftliche Mitarbeiter an der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg - Institut für Werkstofftechnik und Werkstoffprüfung - [Home Page] PF 4120 - 39016 Magdeburg

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