Forschungsbericht 1999

Transkript

1 Zusammenfassung An verschiedenen Anwendungsfällen aus unterschiedlichen Fertigungsstufen wird der Nutzen werkstoffkundlicher Untersuchungen als ein einfaches Mittel zur Qualitätssicherung und Prozessoptimierung dargestellt. Der Nutzen derartiger, vergleichsweise preiswerter Untersuchungen ist um so größer, ja eher sie in der Fertigungskette eingesetzt werden und je größer die Serien sind. Denn so lassen sich aufwändigere Operationen oder Nacharbeit am ehesten vermeiden. 1. Anlass und Ziel Metallverarbeitende Kleine und Mittlere besitzen ein großes Maß an Kenntnissen, Erfahrungen und Fertigkeiten bei der Verarbeitung der angelieferten Werkstoffe und Halbzeuge in ihrer laufenden Produktion. Diese sind allerdings nicht mehr ausreichend, wenn es darum geht, gänzlich neue Produkte zu entwickeln und zu fertigen, andere Werkstoffe oder modifikationen einzusetzen bestehende Fertigungsverfahren zu ändern oder neue einzusetzen Qualitätskontrollen über die Maß- oder Funktionskontrolle hinaus durchzuführen. Gerade in einem metallverarbeitenden Betrieb werden die verwendeten Werkstoffe in vielfältiger Weise vom Anlieferungszustand in der Fertigung bis hin zum Endprodukt nicht nur in ihrer Form sondern auch in ihrer Struktur verändert. Um ausreichende Kenntnisse über den Werkstoff als wesentlichstes Objekt der Fertigung zu erhalten, ist es wichtig, nicht nur erst bei Schwierigkeiten, Veränderungen und Reklamationen oder Schadensfällen die Eigenschaften des Ausgangsmaterials festzuhalten und zu überprüfen (Eingangskontrolle) die Werkstoffveränderungen bei kritischen Fertigungsschritten festzuhalten sowie Schwankungen in den Fertigungsparametern zu erfassen (Fertigungsüberwachung) die Eigenschaften des Endprodukes zu kontrollieren und zu dokumentieren (Endkontrolle). Im Gegensatz zu Großbetrieben haben aber KMU in der Regel nicht die Möglichkeit, metallkundliche Untersuchungen selbst durchzuführen, sei es aus Mangel an entsprechend vorgebildetem Personal, Seite 1 von 9 Seiten

2 wegen der unzureichenden apparativen Voraussetzungen und geringen Auslastung der Geräte in Unkenntnis über Möglichkeiten und Aussagekraft der Ergebnisse. Im Rahmen dieses Projektes wurden daher mit verschiedenartigen KMU anhand konkret auftretender Fälle beispielhaft in verschiedenen Fertigungsstufen (Wareneingang, Fertigung, Endkontrolle) metallkundliche Untersuchungen durchgeführt. Damit konnte gezeigt werden, wie dadurch wesentlich zur Lösung der jeweiligen Probleme ohne die oftmals vermuteten hohen Kosten beigetragen werden kann. Naturgemäß rührt die Mehrzahl der exemplarisch aufgeführten Fälle aus Fehlern, deren Folgen während des Fertigungsgangs oder nach der Endkontrolle, jeweils als Sichtprüfung, auftraten. Bei rechtzeitiger werkstofforientierter Untersuchung an einzelnen Mustern, z.b. nach Änderungen von Werkstoffchargen oder Parametern bei der Fertigung, hätten diese Fehler sofort erkannt und abgestellt werden können, ohne noch weitere Fertigungsschritte an ungeeignetem Werkstoff zu verschwenden. Dies hätte auch weiterreichende Reklamationen und Schadensfälle vermieden. 2. Fehlererkennung im Wareneingang/Bestellwesen Fehler im Wareneingang/Bestellwesen können von Bestellungen herrühren, bei denen irrtümlich eine falsche Spezifikation angegeben wurde, oder bei der ohne ausreichende umfassende Rücksprache die ursprüngliche Bestellung geändert wurde, z.b. um einen Teilaspekt zu beeinflussen. Solche Fehler können, da Werkstoffunterschiede in der Regel nicht in der Sichtprüfung erkannt werden, in der Fertigung oder schlimmstenfalls bei einer Reklamation zutage treten. Im vorliegenden Fall des Gehäuses einer Hinterradschwinge für Mountain-Bikes traten bei einer Beizbehandlung zur Schweißvorbereitung fallweise unterschiedlich starke Schwarzfärbungen auf. Das Schwingengehäuse als Zukaufteil sollte aus einer AlZnMg- Legierung hergestellt werden, um eine optimale Schweißnahtfestigkeit zu erreichen. Die chemischen Analyse ergab, dass das stark verfärbte Teil aus einer AlCu-Legierung bestand, die fast nicht schweißbar ist, das leicht verfärbte Teil der gewünschten Legierung, aber mit erhöhtem Cu- Gehalt entsprach, das als gut angesehene Teil aus einer AlMgMn-Legierung hergestellt wurde. Demnach wies keines der gelieferten Teile die gewünschte und für die Qualität des Endproduktes erforderliche Zusammensetzung auf. Eine stichprobenartige Analyse vor Aufnahme der Fertigung hätte den Fehler frühzeitig erkennen lassen und so Ersatzbeschaffungen und die damit verbundenen Verzögerungen vermieden. Seite 2 von 9 Seiten

3 Ebenfalls noch in der Fertigung, hier beim Schweißen von Fahrradrahmen aus Rohren einer AlZnMg-Legierung, traten nach dem Erkalten Risse auf, trotz gleicher Schweißbedingungen (Bild 1). Bild 1: Interkristalline Risse im Grundwerkstoff Die Risse verliefen interkristallin und in der Übergangszone im Grundwerkstoff wurden ebenfalls Trennungen festgestellt. Die Naht selbst weist keine Fehler auf. Die chemische Analyse ergab einen Pb-Gehalt von 0,13%, der zwar innerhalb der Norm liegt, von dem aber bekannt ist, dass er zu Korngrenzenversprödung und damit zu Rissen führt, die in diesem Fall glücklicherweise nicht erst im Betrieb aufgetreten waren. In Zukunft wird nun bereits in der Bestellung der Pb-Gehalt auf eine unkritische Größe reduziert. Verborgene Mängel führten auch zum Aufplatzen von stranggepressten Rohren bei der Kaltumformung. Seite 3 von 9 Seiten

4 Bild 2: Längs aufgeplatzte Rohre aufgrund von Poren und eingeschleppten Oxiden Hier war der Werkstoff beim Pressen über ein Brückenwerkzeug unzureichend verschweißt, da Luft und Oxide eingeschleppt worden waren, was zu einem verminderten Werkstoffzusammenhalt längs der vier Strangpressnähte führte. 3. Fehler im Fertigungsverlauf 3.1 Nicht werkstoffgerechte Bearbeitung waren auf Fehler an Schneiden zurückzuführen, die durch Werkstoffausbrüche unbrauchbar wurden. Diese wurden nach dem Härten und Anlassen geschliffen. Die metallographische Untersuchung ergab, dass durch das Schleifen der Werkstoff in der sich weiß abzeichnenden Randschicht erneut gehärtet, darunter jedoch noch weiter angelassen worden war. Seite 4 von 9 Seiten

5 Bild 3: Ausgeprägte Neuhärtezone Dadurch lag eine extrem harte Schicht auf einer weichen Unterlage, die leicht ausbrechen und sich ablösen konnte, wodurch die Schneidhaltigkeit verringert wurde. Betriebsversuche ergaben, dass beim angewandten Schleifverfahren die Kühlung nicht ausreichte, um die Austenitisierung der Randschicht zu vermeiden. Daher wurde ein anderes Verfahren mit besserer Wärmeabfuhr verwendet, wodurch sich die Dicke der Neuhärtezone deutlich verminderte (Bild 4) und die Standzeit der Schneiden erhöht wurde. In diesem Fall konnte also das Fertigungsverfahren als solches mit Hilfe entsprechender Werkstoffuntersuchungen verbessert werden. Bild 4: Verringerte Neuhärtezone durch verbesserte Kühlung 3.2 In einem anderen Fall traten aus Gußteilen aus Aluminium Oberflächenfehler nach einer Kugelstrahlbehandlung auf (Bild 5). Zu klären war, ob diese Fehler durch zu intensives Kugelstrahlen oder Fehler in den Gußteilen hervorgerufen wurden. Seite 5 von 9 Seiten

6 Bild 5: Abplatzungen nach Kugelstrahlen Bild 6: Schalenförmige Strukturunterschiede sowie Oxid- und Porenketten Im Schliffbild (Bild 6) sind parallel zur Oberfläche unterschiedliche Strukturen und Zeilen eingeschleppter Oxide festzustellen. Diese rühren von einer unzureichenden, diskontinuierlichen Entlüftung der Form her, was sich auch durch ihr Auftreten mit Poren zeigt (Bild 7). Durch die schalenartige Struktur konnten die hohen Verformungen durch das Kugelstrahlen nicht von der Randschicht ins Innere weitergegeben werden, so dass sich in der Randschale Eigenspannungen aufbauen konnten, die zum Abplatzen führten. Bild 7: 4 Fehlererkennung in der Endkontrolle Seite 6 von 9 Seiten

7 Bei der Herstellung von Aufnehmern für hydraulische Stellglieder werden zur Kontrolle von Produktion und Qualität bei einigen Mustern die angelöteten Kontakte mit umgebogen, dass ein Winkel von 90 ohne Bruch erreicht wird. Bei einem Bruch wurde mit einer REM-Bruchflächenanalyse und einem Schliff durch die Bruchfläche (Bild 8) festgestellt, dass die Benetzung mit dem Cu-hältigen Lot unvollständig war, und dass auf dem unbenetzten Flächenteil der Sauerstoffgehalt sehr hoch war. Bild 8: Oberfläche mit diskontinuierlicher Benetzung mit Cu-Lot durch verbliebene Oxide Daraus konnte geschlossen werden, dass das Flussmittel nicht ordnungsgemäß aufgebracht worden war, so dass die ursprüngliche Oxidschicht nur teilweise entfernt wurde. Dies führte zu einer mangelhaften, wenig tragfähigen Verbindung. 5 Fehlererkennung nach Versagen im Einsatz (Schadensanalyse) Die Antriebswelle eines Senkrechtförderers war an einem Absatz als Dauerbruch mit kleiner Nennlast gebrochen. Der Anriß war am gesamten Umfang entstanden aufgrund der dortigen Kerbwirkung (Bild 9). Im Gegensatz zur Zeichnung war der Übergangsradius sehr scharf ausgebildet, so dass ein Fertigungsfehler vorlag. Das zusätzliche Auftreten von Passungsrost deutete auf eine bleibende Verformung der Welle hin, was vom Betreiber nachträglich bestätigt wurde. Seite 7 von 9 Seiten

8 Bild 9: Dauerbruchfläche und scharfer, nicht zeichnungsgemäßer Wellenabsatz 6 Resümé Durch gezielte Werkstoffuntersuchungen lassen sich, wie an obigen Beispielen verdeutlicht, in jeder Fertigungsstufe die möglichen Werkstoffveränderungen erfassen und so Fehler, unnötige Kosten und Qualitätseinbußen vermeiden. Je frühzeitiger im Ablauf die wesentlichen Eigenschaften und ihre Änderungen erfasst und kontrolliert werden, um so sinnvoller wird die Untersuchung. Denn so läßt sich der Aufwand, der in unwissentlich fehlerhaftes Material investiert, minimieren. Die Kosten einfacher Untersuchungen von maximal 1000 DM dürften sich im Rahmen der Wertschöpfungskette, insbesondere bei Serienfertigung schnell amortisieren. Seite 8 von 9 Seiten

9 Prof. Dr.-Ing., Tel , Fax: , Seite 9 von 9 Seiten