Schadenfälle an Fittings aus entzinkungsbeständigem Messing und Cuphin

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1 GfKORR - Arbeitskreissitzung Korrosion und Korrosionsschutz von Kupferwerkstoffen 21. Juni 2017, Iserlohn, Deutschland Michael Strigl Schadenfälle an Fittings aus entzinkungsbeständigem Messing und Cuphin Schadenfälle an Messing und Cuphin 1

2 Schadenfall: Messing-Winkel Bauteil stammt aus einer Brunnenförderleitung (Wasser-Wasser- Wärmepumpenanlage Saugbrunnen) Einbaudauer ca. 10 Jahre Werkstoff CW 602N (CuZn36Pb2As) Abb.: Winkelanschlussverschraubung 90 mit 2 Innengewinde im Zustand der Übernahme Schadenfälle an Messing und Cuphin 2

3 Makroskopische Untersuchung Wanddurchbruch erfolgte von innen nach außen zweite, muldenförmige Beschädigung (ohne Wanddurchbruch) an gespiegelter Position ungestörte Oberfläche zeigt grünliche Deckschicht Schadenfälle an Messing und Cuphin 3

4 Makroskopische Untersuchung Strömungsrichtung Winkelverschraubung diente als Übergang zwischen einem PE-Rohr (Brunnenleitung) und PVC Leitung mit geklebten Muffen (Gebäudeinstallation) Wanddurchbruch erfolgte (in Strömungsrichtung) hinter der Abrisskante im Scheitel des Bogens ungünstige Strömungsbedingungen bzw. zu hohe Geschwindigkeit? Abb.: für weitere Untersuchung geteilter Messingwinkel Schadenfälle an Messing und Cuphin 4

5 Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit: die theoretisch maximale Strömungsgeschwindigkeit liegt mit ca. 1,2 m/s weit unter der für Erosionskorrosion kritischen Fließgeschwindigkeit von 2 m/s (Grenzwert nach DIN EN bei Entnahmezeiten > 15 min) Schadenfälle an Messing und Cuphin 5

6 PE-Rohr wurde nicht bis zum Anschlag in Klemmringverschraubung eingeschoben ungünstige Wirbelbildung durch Montagefehler? Schadenfälle an Messing und Cuphin 6

7 Mikroskopische Untersuchung Oberfläche in Korrosionsmulde weist rötlichen Belag auf abgerundete Kanten deuten auf Erosion Abb.: Wanddurchbruch unter dem Stereomikroskop Schadenfälle an Messing und Cuphin 7

8 Mikroskopische Untersuchung Sachverständigenbüro Dr. Strigl Abb.: Erosionserscheinung am Beginn des 2 Innengewindes hinter Abrisskante des eingeschraubten Gegenstückes Schadenfälle an Messing und Cuphin 8

9 Wasseranalyse: Ergebnis: mittelhartes Wasser niedriges Verhältnis von Chlorid- zu Hydrogencarbonat- Ionen ph-wert 7,73 Wasser laut EN unkritisch für Entzinkung Grenzwerte der Trinkwasserverordnung eingehalten Schadenfälle an Messing und Cuphin 9

10 Makro- und mikroskopische Untersuchung im Übergangsbereich zwischen PE-Rohr und Messingwinkel haben sich Sandpartikel abgesetzt Abb.: Übergangsbereich zwischen PE-Rohr und Messingwinkel abrasiver Verschleiß? Schadenfälle an Messing und Cuphin 10

11 Metallographische Untersuchung Bereits unter dem Stereomikroskop ist eine Veränderung des Gefüges im Bereich der wasserberührten Innenoberfläche erkennbar Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Stereomikroskop Schadenfälle an Messing und Cuphin 11

12 Metallographische Untersuchung Abb.: geätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 50-fache Vergrößerung Interkristalline Korrosion bis in eine Tiefe von ca. 0,6 mm bis 1,2 mm an der wasserberührten Innenoberfläche Schadenfälle an Messing und Cuphin 12

13 Ätzung mit Kupferammoniumchlorid: α-messinggefüge mit ca % β-phase an Korngrenzen Abb.: geätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 200-fache Vergrößerung Schadenfälle an Messing und Cuphin 13

14 ca % Anteil an β-phase im Gefüge Gehalt an β-phase muss für CW 602N gemäß DIN Kupfer und Kupferlegierungen unter 3 % liegen ungünstiger Gefügezustand auf Wärmebehandlung zurückzuführen Abb.: geätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 500-fache Vergrößerung Schadenfälle an Messing und Cuphin 14

15 Kleinkrafthärteprüfung nach Vickers (HV 1): Ergebnisse der Härteprüfung Prüfpunkt [HV1] [HB] (81) (73) , Abb.: Kleinkrafthärteprüfung gemäß DIN EN ISO 6507 auf metallographischem Schliff Schadenfälle an Messing und Cuphin 15

16 HV 1 Sachverständigenbüro Dr. Strigl Kleinkrafthärteprüfung nach Vickers (HV 1): 100 Härteverlauf Härteverlauf Messpunkt Härteabfall zufolge interkristalliner Entzinkung im Bereich der Innenoberfläche Schadenfälle an Messing und Cuphin 16

17 Weitere Untersuchungen: Bestimmung der Entzinkungsbeständigkeit gemäß DIN EN ISO 6509 zwei Proben (senkrecht und parallel zur Stangenachse) aus CW 602N mit Körnung 1000 feingeschliffen 24 h Auslagerung bei 75 C in wässriger Kupfer(II)-Chloridlösung Schadenfälle an Messing und Cuphin 17

18 Proben senkrecht zur exponierten Fläche geteilt, feingeschliffen, poliert Auswertung unter dem Lichtmikroskop mit Vermessungssoftware gemessene Entzinkungstiefe ca. 90 µm (< 100 µm) Werkstoff ist laut DIN EN als entzinkungsbeständig anzusehen Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 500-fache Vergrößerung Schadenfälle an Messing und Cuphin 18

19 Zusammenfassung: keine mechanischen Beschädigungen feststellbar nicht vollständig eingeschobenes PE-Rohr war nicht schadenkausal Wanddurchbruch ist auf Erosion zufolge von lokal ungünstigen Strömungsverhältnissen zurückzuführen interkristalline Entzinkung hat zu deutlichem Festigkeitsverlust im Bereich der wasserberührten Innenoberfläche geführt Schadenfälle an Messing und Cuphin 19

20 Schadenfall: Übergangsfitting Werkstoff wurde im Jahr 2015 von CW 602N auf CW 724R (CUPHIN) umgestellt Änderung der Konstruktion von SW 27 auf SW 24 Produktionsmenge seit Materialumstellung ca Stück ca. 40 Schadenfälle beim betroffenen Hersteller bekannt 3 Fittings mit Längsriss zur Untersuchung übergeben schadengegenständliche Fittings stammen aus Kaltwasserleitungen und waren mit Hanf eingedichtet Schadenfälle an Messing und Cuphin 20

21 Untersuchung Vergleichsfitting zur Untersuchung wurden zusätzlich drei neuwertige Vergleichsfittings übergeben im Labor wurde zunächst eine Gewaltbruchfläche für die Untersuchung im REM erzeugt Schadenfälle an Messing und Cuphin 21

22 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Stereomikroskop Abb.: Laborbruch im REM, Wabenbruchfläche mit Spaltbruchstrukturen Schadenfälle an Messing und Cuphin 22

23 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung zwischen den Bruchwaben liegen Spaltbruchartige Bereiche vor, bei denen es sich um die siliziumreiche κ-phase der Legierung handeln dürfte Schadenfälle an Messing und Cuphin 23

24 Untersuchung gebrochene Fittings Sachverständigenbüro Dr. Strigl Abb.: Fitting mit Längsriss im Zustand der Übernahme Schadenfälle an Messing und Cuphin 24

25 Längsriss erstreckt sich über gesamte Sechskantfläche Fitting bei Montage in Schraubstock eingespannt Beschädigung an Stirnfläche im Rissbereich Abb.: Längsriss unter dem Stereomikroskop Wanddicke im Bruchbereich ca. 1,8 bis 2,1 mm Schadenfälle an Messing und Cuphin 25

26 Abb.: Längsriss mit Resten von Dichtungshanf die Kerbe an der Stirnfläche liegt exakt in der gedachten Verlängerung der Eindrücke der Schraubstockbacken Schadenfälle an Messing und Cuphin 26

27 Abb.: Bruchfläche unter dem Stereomikroskop Bruchfläche für weitere Untersuchung freigelegt sehr einheitliche Verteilung der Beläge auf der Bruchfläche Beurteilung der Rissausbreitungsrichtung nur bedingt möglich Schadenfälle an Messing und Cuphin 27

28 Sägeschnitt schadenkausale Bruchfläche Laborbruch Abb.: Bruchfläche unter dem Stereomikroskop Schadenfälle an Messing und Cuphin 28

29 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung Sachverständigenbüro Dr. Strigl Abb.: Übergangsbereich zwischen Laborbruch und schadenkausaler Bruchfläche im REM Schadenfälle an Messing und Cuphin 29

30 Abb.: Laborbruchfläche im REM Laborbruch ist ein duktiler Gewaltbruch mit Wabenbruchstruktur und spaltbruchartigen Anteilen Schadenfälle an Messing und Cuphin 30

31 Abb.: Laborbruchfläche im REM Abb.: schadenkausale Bruchfläche im REM schadenkausale Bruchfläche weist interkristallinen Bruchverlauf (Korngrenzenbruch) auf Schadenfälle an Messing und Cuphin 31

32 Abb.: Stirnfläche mit plastischer Deformation (Kerbe) im REM Schadenfälle an Messing und Cuphin 32

33 stellenweise flächige Korrosionserscheinungen und muldenförmiger Korrosionsangriff an der Stirnfläche unmittelbar neben dem Längsriss Schadenfälle an Messing und Cuphin 33

34 in der äußersten Randzone der Bruchfläche sind stellenweise Anteile von Wabenbruch, sowie scherlippenartige Deformationen des Bruchrandes feststellbar Abb.: Übergangsbereich Stirnfläche Innengewinde im REM Schadenfälle an Messing und Cuphin 34

35 Metallographische Untersuchung für die metallographische Untersuchung wurden zwei Proben in Epoxidharz eingebettet und jeweils ein Quer- und Längsschliff angefertigt Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Stereomikroskop, Pfeil markiert Bruchfläche Schadenfälle an Messing und Cuphin 35

36 Ätzung mit Kupferammoniumchlorid interkristalliner Bruchverlauf Schadenfälle an Messing und Cuphin 36

37 Ätzung mit Fe 3 Cl, interkristalliner Bruchverlauf Schadenfälle an Messing und Cuphin 37

38 Gefügeverzerrung in Richtung der spanenden Bearbeitung Schadenfälle an Messing und Cuphin 38

39 zeilenförmige Struktur des Gefüges, Fitting aus Stangenmaterial gefertigt Schadenfälle an Messing und Cuphin 39

40 Gewindespitze des ersten Gewindegangs im geätzten Schliff Deformation an Gewindeflanke mit kaltverformten Gefüge deutet auf Verschraubung mit kegeligem Gegengewinde Schadenfälle an Messing und Cuphin 40

41 Kleinkrafthärteprüfung nach Vickers (HV 1): Sachverständigenbüro Dr. Strigl Ergebnisse der Härteprüfung Prüfpunkt [HV1] [HB] Abb.: Kleinkrafthärteprüfung gemäß DIN EN ISO 6507 auf metallographischem Schliff Schadenfälle an Messing und Cuphin 41

42 Zusammenfassung: alle drei Fittings weisen Längsrisse im Bereich des Sechskants auf gebrochene Fittings aus Kaltwasserleitung (Kondenswasser), mit Hanf eingedichtet (Ammonium im Hanf?) Spannungsrisskorrosion durch interkristallinen Bruchverlauf nachgewiesen Untersuchung im Längsschliff deutet auf Verschraubung mit kegeligem Gegengewinde und hohem Anzugsdrehmoment nach Kenntnis der ersten Schadenfälle erneute Änderung der Schlüsselweite (SW 27 statt SW 24), seither keine Reklamationen wegen Rissbildung Schadenfälle an Messing und Cuphin 42

43 Sachverständigenbüro Dipl. Ing. Dr. techn. Meinhard Strigl Michael Strigl Engilgasse 6 A 1160 Wien +43 (0) office@sv-strigl.at Schadenfälle an Messing und Cuphin 43