Untersuchung von Schadensfällen an Bauteilen aus Messing

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1 Untersuchung von Schadensfällen an Bauteilen aus Messing XIX. Internationales Kolloquium aus Metallographie und Werkstofftechnik - Widmannstättentagung 19. Oktober 2017, Linz, Österreich Michael Strigl Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 1

2 Vorstellung Fallbeispiel 1: Messing-Winkel Fallbeispiel 2: Ventilstopfen Fallbeispiel 3: Messing Doppelmuffe weitere Schadensfälle Highlights Interkristalline Korrosion an Messing 2

3 Sachverständigenbüro Dr. Strigl Dr. Meinhard Strigl seit 1997 als allgemein beeideter und gerichtlich zertifizierter Sachverständiger tätig Michael Strigl seit 2001 Mitarbeiter im Büro des Vaters, Studium Wirtschaftsingenieuerwesen- Maschinenbau an der TU Wien ca. 250 Schadenfälle im Jahr ca Bauteiluntersuchungen jährlich davon ca % Messingbauteile Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 3

4 Bauteiluntersuchungen Stereomikroskop Lichtmikroskop Kleinlast- und Mikrohärteprüfung Zusammenarbeit mit TU Wien (REM, EDX, etc.) Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 4

5 Fallbeispiel 1: 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 Bauteilen aus Messing 5

6 Makroskopische Untersuchung Wanddurchbruch erfolgte von innen nach außen zweite, muldenförmige Beschädigung (ohne Wanddurchbruch) an gespiegelter Position ungestörte Oberfläche zeigt grünliche Deckschicht Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 6

7 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 Bauteilen aus Messing 7

8 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 Bauteilen aus Messing 8

9 PE-Rohr wurde nicht bis zum Anschlag in Klemmringverschraubung eingeschoben ungünstige Wirbelbildung durch Montagefehler? Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 9

10 Mikroskopische Untersuchung Oberfläche in Korrosionsmulde weist rötlichen Belag auf abgerundete Kanten deuten auf Erosion Abb.: Wanddurchbruch unter dem Stereomikroskop Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 10

11 Mikroskopische Untersuchung Sachverständigenbüro Dr. Strigl Abb.: Erosionserscheinung am Beginn des 2 Innengewindes hinter Abrisskante des eingeschraubten Gegenstückes Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 11

12 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 Bauteilen aus Messing 12

13 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 Bauteilen aus Messing 13

14 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 Bauteilen aus Messing 14

15 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 Bauteilen aus Messing 15

16 Ätzung mit Kupferammoniumchlorid: α-messinggefüge mit ca % β-phase an Korngrenzen Abb.: geätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 200-fache Vergrößerung Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 16

17 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 Bauteilen aus Messing 17

18 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 Bauteilen aus Messing 18

19 HV 1 Sachverständigenbüro Dr. Strigl Kleinkrafthärteprüfung nach Vickers (HV 1): 100 Härteverlauf Härteverlauf Messpunkt Härteabfall zufolge interkristalliner Entzinkung im Bereich der Innenoberfläche Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 19

20 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 Bauteilen aus Messing 20

21 Fallbeispiel 2: Ventilstopfen Einbaudauer ca. 2 Jahre verformungsloser Bruch rötliche Beläge auf Bruchfläche, hoher Anteil Restgewaltbruch Wanddicke im Bruchbereich ca. 2,4 mm Werkzeugspuren am Sechskant Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 21

22 Spuren am Sechskant deuten auf hohes Anzugsmoment des Ventilstopfens angefertigter Schliff für metallographische Untersuchung Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 22

23 Metallographische Untersuchung Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Stereomikroskop Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Stereomikroskop Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 23

24 Kornzerfall im Bruchausgangsbereich des Parallelrisses (an Innenoberfläche) nicht so stark ausgeprägt, aber Korrosionsprodukte Angriff der Korngrenzen an Rissflanken in einer Tiefe von ca µm Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 200-fache Vergrößerung Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 24

25 interkristalliner Korrosionsangriff im Ausgangsbereich des Hauptrisses und an den Rissflanken Übergang auf SpRK-Parallelriss in einer Tiefe von ca. 100 µm Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 200-fache Vergrößerung Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 25

26 Kornzerfall an mediumsberührten Oberflächen im Bereich der Übergangsfase an der Stirnfläche Angriff folgt stellenweise der Textur des Stangenmaterials Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 200-fache Vergrößerung Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 26

27 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 Bauteilen aus Messing 27

28 Untersuchung des Ventils metallographische Untersuchung der Innenoberfläche im Bereich des Übergangs von Sechskant auf Gehäuse Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 28

29 Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 200-fache Vergrößerung interkristalliner Angriff unter grüner Oxidschicht im Bereich von kaltverformten Gefüge Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 29

30 gestrahlte Innenoberfläche Interkristalline Korrosion beschränkt sich auf kaltverformte Bereiche Abb.: ungeätzter Schliff unter dem Lichtmikroskop, 500-fache Vergrößerung Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 30

31 Zusammenfassung: Kornzerfall an den mediumsberührten Oberflächen Übergang auf Spannungsrisskorrosion in einer Tiefe von ca. 100 µm Interkristalliner Angriff folgt Textur des Stangenmaterials Mittlere Härte des Bauteils 128 HV1 entspanntes Material SpRK auf hohes Anzugsmoment zurückzuführen Interkristalliner Angriff auch in Bereichen ohne hohe Montagespannung am Ventilkörper interkristalliner Angriff nur in kaltverformten Bereichen Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 31

32 Fallbeispiel 3: Messing Doppelmuffe Doppelmuffe einer Wannenanschlussgarnitur gebrochen Betriebsdauer ca. 1 Jahr erheblicher Wasserschaden in einem Neubau Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 32

33 Befundaufnahme am Schadenort: Doppelmuffe als Teil der Verlängerung zwischen Wannenarmatur und Kunststoffleitung Zugspannung zufolge der Montage an der Marmorplatte Bestimmung des Drehmoments zum Lösen der Mutter am nicht gebrochenen Warmwasseranschluss Übernahme der Teile zur weiteren Untersuchung im Labor Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 33

34 Makroskopische Untersuchung radialer Rundumriss der ½ Doppelmuffe Hanf als Dichtungsmaterial Zange als Montagewerkzeug Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 34

35 Bruch erfolgte im nicht verschraubten Bereich des Innengewindes kein Einfluss des Gegengewindes auf Bruchgeschehen Wanddicke im Bruchbereich ca. 2 mm Bruchfläche weist oxidierte Beläge auf Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 35

36 Mikroskopische Untersuchung Rissausbreitung von wasserberührter Innenseite nach außen Bruchufer erscheinen verformungslos Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 36

37 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung reiner Korngrenzenbruch minimaler Anteil an Restgewaltbruch Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 37

38 Metallographische Untersuchung Abb.: Bruchbereich im ungeätzten Schliff Abb.: angefertigter Längsschliff für Untersuchung unter Lichtmikroskop Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 38

39 Rissverzweigungen bestätigen Rissausbreitungsrichtung Fein verästelte Rissspitzen weiteres Merkmal für Spannungsrisskorrosion (SpRK) Abb.: Detail des Bruchbereichs im ungeätzten Schliff Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 39

40 Entwicklung des Gefüges durch Ätzung mit FeCl 3 α+β Messinggefüge (ca. 50 % Anteil der jeweiligen Phase) Werkstoffangabe des Herstellers (CW 617N CuZn40Pb2) stimmt mit Gefüge überein Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 40

41 bei ausreichender Vergrößerung konnten im geätzten Schliff Kaltverformungen, die bei der spanenden Bearbeitung des Innengewindes eingebracht wurden, im Bruchausgangsbereich festgestellt werden Abb.: Kaltverformtes Gefüge im Bruchausgangsbereich Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 41

42 Mikrohärteprüfung nach Vickers (HV 0,2): Messpunkt [HV 0,2] [HB] Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 42

43 Vergleich schadengegenständliches Gewinde mit Normanforderung Sachverständigenbüro Dr. Strigl Schadengegenständliches Gewinde weist trapezförmigen Gewindegrund auf zusätzliche Kerbwirkung im Bruchausgangsbereich Gewinde entspricht nicht den Anforderungen der Gewindenorm (EN ISO 228), die einen durchgehenden Radius im Gewindegrund vorsieht Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 43

44 Zusammenfassung: Bruch der Messing-Doppelmuffe erfolgte durch Spannungsrisskorrosion keine mechanischen Beschädigungen im Bruchbereich feststellbar keine nennenswerte Zugbeanspruchung des Bruchquerschnittes zufolge der Einbaulage (Nachweis: nur minimaler Restgewaltbruch) Wanddicke im Bruchbereich liegt mit ca. 2 mm deutlich unter der Mindestanforderung der DIN 3523, die für vergleichbare Bauteile (Hahnverlängerung) eine Mindestwanddicke von 2,9 mm vorschreibt zusätzliche Kerbwirkung durch trapezförmig, nicht normkonform ausgeführten Gewindegrund des ½ Innengewindes massive Aufhärtung im Gewindegrund (Bruchausgangsbereich) zufolge bei der spanenden Bearbeitung eingebrachter Kaltverformung eindeutig nachgewiesener Produktmangel führte zum Bauteilversagen Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 44

45 weitere Schadensfälle Highlights Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 45

46 Spültischarmatur mit gebrochenem Gehäuse Sachverständigenbüro Dr. Strigl Wanddicke des Kartuschengehäuses aus Messing beträgt im Bruchquerschnitt nur 0,4 mm 0,4 mm Bauteilversagen durch SpRK Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 46

47 Waschtischarmatur mit gebrochenem Panzerschlauch Bruch des Panzerschlauchs für Warmwasseranschluss führte zu massivem Wasseraustritt Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 47

48 Einschraubrichtung Werkzeugspuren am Sechskant weisen in Einschraubrichtung Verstoß gegen Montageanleitung führte zu hoher Zugbelastung des Bruchquerschnitts Bauteilversagen durch SpRK aufgrund eines Montagefehlers Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 48

49 Ventiloberteil mit gebrochenem Kopfstück 2,1 mm Oberteil eines 2 Absperrventils mit radialem Rundumriss im Gewindebereich Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 49

50 geringe Wanddicke nicht normkonformes Gewinde Aufhärtungen bis 149 HB im Bruchausgangsbereich Bauteilversagen durch SpRK aufgrund mehrerer Produktmängel Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 50

51 Duscharmatur mit gebrochenem Gehäuse Sachverständigenbüro Dr. Strigl Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 51

52 Kartuschengehäuse gebrochen massive Korrosionserscheinungen Gehäuse aus Zinkdruckguss gefertigt Bauteilversagen durch Korrosion aufgrund eines nicht beständigen Werkstoffs Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 52

53 Wasseraustritt an Waschtischarmatur Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 53

54 Wasseraustritt beim Bedienhebel Wanddicke der Kartuschen-Überwurfmutter 0,1 mm! im Gewindegrund Bauteilversagen durch Korrosion aufgrund einer extremen Unterdimensionierung der Kartuschen-Überwurfmutter Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 54

55 Gebrochene Hahnverlängerung Hahnverlängerung mit radialem Rundumriss im Übergangsbereich Bohrung zu tief ausgeführt, zu hohe Härte im Bruchausgangsbereich Verlängerung entspricht nicht den Vorgaben der DIN 3523 Bauteilversagen durch SpRK aufgrund eines Bauteilmangels Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 55

56 Sachverständigenbüro Dipl. Ing. Dr. techn. Meinhard Strigl Michael Strigl Engilgasse 6 A 1160 Wien +43 (0) office@sv-strigl.at Schadenfälle an Bauteilen aus Messing 56