Werkstofftechnische Gesellschaft Ulm Grenzen der Prüftechnik zur Wärmebehandlungsüberwachung

Transkript

1 Werkstofftechnische Gesellschaft Ulm Grenzen der Prüftechnik zur Wärmebehandlungsüberwachung Arnold Horsch Folie 1

2 Alle Unterlagen sind zu Ihrem persönlichen Gebrauch und unterliegen dem Copyright von Die weitere Verwendung ist nur mit Quelleangabe und vorheriger Genehmigung gestattet Folie 2

3 Inhalt Vorstellung Prüfmethoden Härteprüfverfahren Rockwell Vickers - Brinell Zulässige Prüfgenauigkeit aus der Normung Messunsicherheit Werkstoffeinfluss Prüfergebnisse an Bauteilen Zusammenfassung Folie 3

4 Wer bin ich? Alter 56, Seit 1973 = >40 Jahre in der Werkstoffprüfung Seit 2002 Selbständig, seit 2013 mit Schwerpunkt Wärmebehandlungsüberwachung Schulung Wärmebehandlungsüberwachung Härteprüfung Metallographie Prüforganisation Zerstörungsfreie Härte - und Gefügeprüfung Folie 4 Obmann DIN-NA AA Prüfung nach der Wärmebehandlung Project Leader EN SHD, Überarbeitung Member EN Project Team NHD Neuerstellung Tätigkeit in verschiedenen Ausschüssen AWT VDI DIN - EN

5 Was mache ich? Schulungen, Seminare Inhouse Schulungen und Trainings Beratungen zur Prüfung und Prüfoptimierung Folie 5

6 Was mache ich? Zerstörungsfreie Gefüge - und Härteprüfung mit magnetinduktiven Verfahren (Wirbelstrom) Folie 6

7 Inhalt Vorstellung Prüfmethoden Härteprüfverfahren Rockwell Vickers - Brinell Zulässige Prüfgenauigkeit aus der Normung Messunsicherheit Werkstoffeinfluss Prüfergebnisse an Bauteilen Zusammenfassung Folie 7

8 Prüfmethoden zur Bestimmung des Wärmebehandlungsergebnisses Härteprüfung Metallografie Zugversuch + Kerbschlagbiegeversuch Chem. Analyse (Spektrometer- GDOS - Verbrennung C) Magnetinduktive Verfahren ZfP Röntgendiffraktometer ZfP Folie 8

9 Verteilung der angewendeten Prüfmethoden Metallographie 5% Zugversuche 3% ZFP 1% andere 1% Härteprüfung > 90% Folie 9

10 Inhalt Vorstellung Prüfmethoden Härteprüfverfahren Rockwell Vickers - Brinell Zulässige Prüfgenauigkeit aus der Normung Messunsicherheit Stand der Normung zur CHD - NHD - SHD Prüfung Werkstoffeinfluss Prüfergebnisse an Bauteilen Zusammenfassung Folie 10

11 Warum Härteprüfung? Zweck der Härteprüfung ist es, vergleichbare Kennzahlen des Verformungswiderstandes der Oberfläche eines Werkstoffes zu ermitteln, die jedoch nicht die Bedeutung einer Werkstoffkennzahl haben. Obwohl die Härte eines Werkstoffes keine eindeutige Stoffeigenschaft ist, kann sie als Vergleichswert sehr vielseitig angewandt und ausgelegt werden. Die Härte ist keine physikalische Eigenschaft. Die Härteprüfung stellt den relativ sicheren Versuch dar, verschiedene Werkstoffzustände mittels einer Kennzahl, die keine Werkstoffkennzahl ist, zu beschreiben. Es gibt jedoch verschiedene Werkstoffzustände die den gleichen Härtewert aufweisen können. Dies kann in den unterschiedlichen Gefügestrukturen nach einer Wärmebehandlung begründet sein. Folie 11

12 Mechanische Werkstoffprüfverfahren Um die mit Hilfe der mechanischen Werkstoffprüfverfahren gewonnenen Werkstoffkennwerte miteinander vergleichen zu können, müssen die Versuche unter definierten und reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt werden.!!! Merke!!! Äpfel und Möhren sind nicht das gleiche Folie 12

13 Einfluss der Prüfbedingungen 38 C Folie C

14 HV 1 Einfluss der zulässigen Messunsicherheit bei der Vickershärteprüfung Härtevergleichsplatte 25 Messungen 25 Messungen Mittelwert Messung Mittelwert 558 Messung HV 558 HV Lampe Optimal Lampe Optimal DIN -5% DIN -5% DIN +5% Range 18,5 MU Maschine = 10,36 DIN % soll DIN 552 soll Lampe DIN falsch zentriert Folie 14

15 Rockwell Härteprüfung Folie 15

16 Das Rockwell-Verfahren Verfahren Norm Prüfart Prüflasten Eindringkörper HR Härte Rockwell A, B, C, F, N, T und weitere DIN EN ISO 6508 Teil 1-3 ASTM E18 Makrohärte Vorlast 3 oder 10 kgf kgf kgf Diamantkegel 120 Hartmetallkugeln Ø 1/16 ½ Zoll C steht für Cone (Kegel) B steht für Ball (Kugel) Die Prüfvorkraft Fo ist konstant: kgf Die Prüfgesamtkräfte F (Prüfvorkraft Fo + Prüfzusatzkraft F1) sind: kgf Die Messeinheit bei Normal-Rockwell entspricht 0,002 (0,001) mm Eindringtiefe Folie 16

17 Das Rockwell-Verfahren Folie 17

18 Das Rockwell-Verfahren Beispiel HRC Mit einem Diamantkörper und der Eindringtiefe von 0,080 mm erhält man 100 0,080/0,002 = 60 Rockwell C Beispiel HRB Mit derselben Eindringtiefe, aber mit einem Kugeleindringkörper würde man 130 0,082/0,002 = 89 Rockwell B erhalten. Folie 18

19 Bezeichnung Rockwell 55 HRC 70 HR 30T W(Hartmetallkugel) 90HRB W(Hartmetallkugel) Folie 19

20 Brinell Härteprüfung Folie 20

21 Das Brinell -Verfahren Verfahren Norm Prüfart Prüflasten Eindringkörper HB Härte Brinell DIN EN ISO 6506 Teil 1-3 ASTM E 10 Makrohärte kgf Hartmetallkugeln Ø 1-2,5-5-10mm Die Brinellhärte (HBW) wird durch das Verhältnis von aufgebrachter Prüfgesamtkraft zur Oberfläche der Kugelkalotte bestimmt. Es gilt die Formel: wobei F die Prüfkraft in N, D der Durchmesser des Kugeleindringkörpers in mm und d der Durchmesser des Eindrucks in mm bezeichnet. Prüfzeit Kraftanstieg 2 bis 8 s Einwirkdauer der konstanten Prüfkraft 10 bis 15 s Folie 21

22 Bezeichnung Brinell Folie 22

23 Vickers Härteprüfung Folie 23

24 Das Vickers -Verfahren Verfahren Norm Prüfart Prüflasten Eindringkörper HV Härte Vickers DIN EN ISO 6507 Teil 1-3 ASTM E 384 Mikro - Kleinlast - Makro - härte 0,01-0,025-0,05-0,1-0,2 0,3-0, kgf und kleinere Diamantpyramide 136 Wie bei der Brinellzahl ist die Vickershärtezahl HV durch das Verhältnis zwischen aufgebrachter Prüfgesamtkraft und der Oberfläche des Eindrucks gegeben. Die Berechnung der Vickershärte erfolgt nach der folgenden Formel, wobei d den Mittelwert der Längen der Eindruck-Diagonalen (Genauigkeit: +/- 0,0002mm) angibt. Folie 24

25 Bezeichnung Vickers Folie 25

26 Inhalt Vorstellung Prüfmethoden Härteprüfverfahren Rockwell Vickers - Brinell Zulässige Prüfgenauigkeit aus der Normung Messunsicherheit Werkstoffeinfluss Prüfergebnisse an Bauteilen Zusammenfassung Folie 26

27 Härteprüfung zulässige Prüfungenauigkeit aus der Normung Folie 27

28 Härteprüfung zulässige Abweichungen aus der Normung Folie 28

29 Härteprüfung Rockwell Prüfgenauigkeit nach DIN EN ISO Folie 29

30 Prüfgenauigkeit Härteprüfung Rockwell Zulässige Grenzabweichung und Wiederholpräzision der Prüfmaschine für die Verfahren A, B, C, N, T Rockwell Härteskala Härtebereiche der Härtevergleichsplatte Grenzabweichung in Rockwell-Einheiten Zulässige Wiederholpräzision der Prüfmaschine A B 20 bis 75 HRA ± 2 HRA 0,02 (100-Ĥ) oder >75 bis 88 HRA ± 1,5 HRA 0,8 Rockwell-Einheiten a 20 bis 45 HRB ± 4 HRB > 45 bis 80 HRB ± 3 HRB > 80 bis 100 HRB ± 2 HRB C 20 bis 70 HRC ± 1,5 HRC 0,04 (130-Ĥ) oder 1,2 Rockwell-Einheiten a 0,02 (100-Ĥ) oder 0,8 Rockwell-Einheiten a a Der größere der beiden Werte muß genommen werden. H ist die Hälfte der verwendeten Härtevergleichsplatte Beispiel Soll Härtevergleichsplatte = 60,28 ± 0,3 HRC, zulässige Abweichung ± 1,5 HRC, WHG 0,8 HRC Maschine 1 = MW 59,1 / WHG 0,4 / Min. 58,9 Max. 59,3 HRC = MW soll - 1,18 Maschine 2 = MW 61,5 / WHG 0,4 / Min. 61,3 Max. 61,7 HRC = MW soll + 1,22 Maschine 3 = MW 60,3 / WHG 1,0 / Min. 59,8 Max. 60,8 HRC = MW soll + 0,02 Folie 30

31 Prüfgenauigkeit Härteprüfung Rockwell ältere Härtevergleichsplatten vor dem 1.Januar 2009 Folie 31

32 Ringversuch Härteprüfung Rockwell Grenzabweichung zulässig ±1,5 HRC ½ ISO Toleranz ½ ISO Toleranz Folie 32 Mit freundlicher Genehmigung des

33 Härteprüfung Brinell Prüfgenauigkeit nach DIN EN ISO Folie 33

34 Prüfgenauigkeit Härteprüfung Brinell Zulässige Wiederholpräzision und Grenzabweichung der Prüfmaschine Härte der Härtevergleichsplatte HBW Zulässige Wiederholpräzision der Prüfmaschine mm Grenzabweichung der Prüfmaschine % 125 0,030 đ 3 H 125< HBW 225 0,025 đ 2,5 H > 225 0,020 đ 2 H H ist die Härte der verwendeten Härtevergleichsplatte đ ist der Mittelwert aus 5 Eindruckdurchmessern Folie 34

35 Härteprüfung Vickers Prüfgenauigkeit nach DIN EN ISO 6507 Folie 35

36 Prüfgenauigkeit bei HV 10 HV 1 HV 0,2 HV 0, HV 10 = ± 3% zulässige Abweichung bei 700 HV 792 HV 1 = ± 5% zulässige Abweichung bei 700 HV HV 0,2 = ±11% zulässige Abweichung bei 700 HV HV 0,1 = bei 700 HV bereits nicht mehr genormt 623 Folie 36

37 Prüfgenauigkeit Härteprüfung Vickers Erforderliche Genauigkeit und Wiederholpräzision der optischen Messeinrichtung Tabelle 3 DIN EN ISO / Dezember 2013 Folie 37

38 Prüfgenauigkeit Härteprüfung Vickers Zulässige Wiederholpräzision und Grenzabweichung der Prüfmaschine Tabelle 5 DIN EN ISO / Dezember 2013 Folie 38

39 Prüfgenauigkeit Härteprüfung Vickers Zulässige Wiederholpräzision und Grenzabweichung der Prüfmaschine Tabelle 4 DIN EN ISO / Dezember 2013 Beispiel Soll 550 HV 1 = zulässige Abweichung ±5% = WHG 44HV Maschine 1 = MW 530 / WHG 15 / Min. 525 Max. 540 = MW soll - 20 Maschine 2 = MW 570 / WHG 15 / Min. 562 Max. 577 = MW soll + 20 Maschine 3 = MW 550 / WHG 54 / Min. 523 Max. 577 = MW soll ± 0 Folie 39

40 Inhalt Vorstellung Prüfmethoden Härteprüfverfahren Rockwell Vickers - Brinell Zulässige Prüfgenauigkeit aus der Normung Messunsicherheit Werkstoffeinfluss Prüfergebnisse an Bauteilen Zusammenfassung Folie 40

41 Messunsicherheit in der Härteprüfung Methode 1: Anwendung ohne systematischen Fehler der Härteprüfmaschine Methode 2: Alternative zu Methode 1 Berechnung der Messunsicherheiten auf Basis der Normen DIN EN ISO , , (Abschätzung beruht auf UNCERT Code of Practice Nr. 14 und erfordert die Messung von Probenmaterial) Folie 41

42 Bedeutung der Messunsicherheit Quelle: FH Fulda Folie 42

43 Bedeutung der Messunsicherheit MU Zur Verfügung stehende Toleranz MU Toleranz Folie 43

44 Bestimmung der Messunsicherheit Messunsicherheit des Prüfgerätes Messunsicherheit der Probe Folie 44

45 Achtung: Bitte nicht erschrecken!!! Es folgen Formeln! Folie 45

46 Messunsicherheit Methode 1 U: Erweiterte Messunsicherheit, K: =2, wenn 95 % Vertrauensintervall U E : Messunsicherheit aus der Grenzabweichung (1σ, aus Härteprüfer) U CRM : Meßunsicherheit der Härtevergleichsplatte (Kommentar: ist fast immer 0, da es normalerweise nicht zu messbaren Härteänderungen kommt) U H : Messunsicherheit der Messung auf der Härtevergleichsplatte, U X : Messunsicherheit der Messung des Probenmateriales, U ms : Messunsicherheit des optischen Messsystemes (Meßuhr) Meßergebnis X = x ± U Folie 46

47 Messunsicherheit Auswahl an Formeln Zusammenfassen der Größen U E, U CRM, U MS und U H : Meßunsicherheit Härteprüfmaschine: Grenzabweichung: Meßunsicherheit der Messung auf der Härtevergleichsplatte: Meßunsicherheit der Messungen auf dem Probenmaterial gemäß Standardabweichung: Gesamte erweiterte Meßunsicherheit: Berechnung von Messunsicherheiten über Formeln ist nicht beliebt Excelfile zur Berechnung Folie 47

48 Härtevergleichsplatte: Vorderseite Folie 48

49 Härtevergleichsplatte: Rückseite Folie 49

50 Berechnung der Messunsicherheit Rockwell, Methode 1 Excelfile aus Seminar Messsunsicherheiten , Werkstoffservice GmbH Myriam Winning, Ralf Krause Folie 50

51 Härteprüfung: Rockwell Unsicherheitsbudget HR Symbol X CRM d ms Auftrag Nr.: Datum: Berechnung: CRM = Certified Reference Material Name (Härtevergleichsplatte) CRM Probe Härteprüfmaschine Serien Nr. INPUT user Härtewert 1 60,90 62,10 Makrohärte Härtewert 2 61,00 61,50 Härtewert 3 61,10 61,20 Härteskala HR C Härtewert 4 61,10 62,50 Prüfobjekt Härtevergleichsplatte Härtewert 6 Anzahl Einzelproben: 5 5 Härtewert 7 Student-Faktor (68%, 1s): 1,13 1,13 Härtewert 8 Härtewert 5 60,70 61,00 Härtewert 9 Erweiterungsfaktor k: 2,00 für erw eiterte Messunsicherheit Härtewert 10 Mittelwert 60,96 61,66 Gemessene oder bestimmte Größe Härte (soll) Vergleichsplatte [HR] Zeitliche Drift Härtevergleichsplatte [HR] Auflösung optisches Messsystem [µm] Wert 60,82 u CRM Divisor für k=1 Wert Divisor u(xi) Symbol der Unsicherheit Sensitivitätskoeffizient ci 0,3 2,000 0,150 1,0 STABW der Einzelmessung [HR] 0, , Mittelwert 60,96 61,66 0 u CRM-D 0 4,899 0,000 1,0 STABW der Einzelmessung [HR] 0,167 0,627 0,1 u ms [mm] 0,0001 3,464 2,887E ,0 H Mittelwert Härtevergleichsplatte [HR] 60,96 u E 0, u E,2r 1,5 S Zahlenwert ISO , Tab. 2 0,002 s H Ergebnis X s H Ergebnis Ergebnis STABW der Einzelmessung [HR] MU der Prüfmaschine [HR] Mittelwert Härte Probe [HR] STABW der Einzelmessung [HR] Inhomogenität der Probe [HR] Erweiterte Messunsicherheit der Probe [HR] 0,167 u H 0, ,236 0,085 1,0 u HTM 0,56 61,66 0,627 u X 0, ,236 0,318 1,0 u X 0,32 U 1,29 Folie 51

52 Sie möchten die Excelmakros für Vickers Brinell Rockwell? Geben Sie mir Ihre Visitenkarte ich schicke Sie ihnen zu. Folie 52

53 Inhalt Vorstellung Prüfmethoden Härteprüfverfahren Rockwell Vickers - Brinell Zulässige Prüfgenauigkeit aus der Normung Messunsicherheit Werkstoffeinfluss Prüfergebnisse an Bauteilen Zusammenfassung Folie 53

54 Werkstoffeinfluss Der Einfluss der Materialungänzen wird bei der Härteprüfung meistens ignoriert Die Streuung die aus verschiedenen Prüfpositionen am Bauteil kommt wird ebenfalls meistens ignoriert Folie 54

55 Werkstoffeinfluss Zeiligkeiten können zu erheblichen Streuungen der Prüfergebnisse führen Folie 55 Längsschliff : Rand --- Kern --- Rand

56 Werkstoffeinfluss Zeiligkeiten können zu erheblichen Streuungen der Prüfergebnisse führen Oberflächenhärte CHD Folie 56

57 Inhalt Vorstellung Prüfmethoden Härteprüfverfahren Rockwell Vickers - Brinell Zulässige Prüfgenauigkeit aus der Normung Messunsicherheit Werkstoffeinfluss Prüfergebnisse an Bauteilen Zusammenfassung Folie 57

58 Prüfergebnisse an Bauteilen CHD + NHD Alle Messungen wurden mit automatischen Härteprüfmaschinen ermittelt Alle Proben wurden mit der gleichen Präparation geprüft Genutzte Prüfgeräte Foto Fritz Müller GmbH Foto KB Prüftechnik Foto ATM GmbH Folie 58

59 HRC Einfluss der Probe und der Messung auf das Ergebnis Oberflächenhärte Einsatzgehärtet 16MnCr5 62,0 61,5 Werte Flach Digital 61,0 60,5 60,0 Werte Hochkant Digital Werte Flach Analog 59,5 59,0 Werte Hochkant Analog MW alle 58,5 58,0 MW +1,5 57,5 MW -1,5 57,0 Folie 59

60 Einfluss der Probe auf das Ergebniss Reale Messung HV Härtevergleichsplatte 552 HV 25 Messungen, je 10x Ausgewertet 580 Sollwert 552HV1 570 MW 559 HV Alle Messungen 560 MW Einzelmessung Min. 550 Max Range 18,5 = 3,4% Erlaubt 44 = 8,0% MU Maschine = 10,36 DIN -5% DIN +5% Folie 60

61 HV 1 Einfluss der zulässigen Messunsicherheit bei der Vickershärteprüfung Härtevergleichsplatte 25 Messungen 25 Messungen Mittelwert Messung Mittelwert 558 Messung HV 558 HV Lampe Optimal Lampe Optimal DIN -5% DIN -5% DIN +5% Range 18,5 MU Maschine = 10,36 DIN % soll DIN 552 soll Lampe DIN falsch zentriert Folie 61

62 HV 1 Einfluss der Probe auf das Ergebnis MIN - MAX - MW Kurve aus 24 CHD Härteverläufen 16MnCr Min Maschine MU = 10,36 Probe MU 550HV = 23, HV ± 5% = HV ± MU = CHD 0,79 mm CHD 0,86 mm Max MW MW + 5% 400 CHD 0,71 mm 350 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Randabstand mm MW - 5% Messung in einem Prüfablauf ohne Unterbrechung mit automatischer Auswertung Reale Messung MW CHD 0,79mm - Streubreite am Bauteil 0,15 mm = 19% Folie 62

63 Einfluss der Probe und der Messung auf das Ergebnis Maschinen je 25 CHD Härteverläufe an 2 Proben gleiche Charge 16MnCr5 Reale Messung MW CHD 0,85 mm - Streubreite am Bauteil 0,30 mm = 35% Min. 650 Max. 600 MW MW - 5% 450 MW 5% CHD 0,66 mm CHD 0,85 mm CHD 0,96 mm GH ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Folie 63

64 HV 10 Einfluss der Probe und der Messung auf das Ergebnis CrMo4 Gasnitriert Oberflächenhärte HV Messungen 690 Werte Min. 615 HV Max. 668 HV MW 646 HV DIN - 3% Range 53 MU Maschine 10,9 MU Probe 24,59 DIN+ 3% Folie 64

65 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 HV 0,3 Einfluss der Probe auf das Ergebnis CrMo4 Gasnitriert MIN - MAX - MW Kurve aus 15 NHD - Härteverläufen NHD 0,23 mm MIN Maschine MU 10,35 Probe MU 366 HV 21,18 NHD 0,24 mm Max. MW NHD 0,2 mm MW + X % MW - X % Randabstand mm Messung in einem Prüfablauf ohne Unterbrechung mit automatischer Auswertung Reale Messung MW NHD 0,23 mm - Streubreite am Bauteil 0,04 mm = 17% Folie 65

66 Einfluss der Probe und der Messung auf das Ergebnis Startpunktfehler zulässig ± 0,025 mm 0,50 mm Unscharfe Kantenerkennung durch schlechte Optik 500 : 1 Folie 66

67 Einfluss der Präparation auf das Ergebnis Messung der Randoxydation 0,05 mm 0,05 mm Folie 67

68 Einfluss der Präparation auf das Ergebnis Messung der CLT 0,05 mm 0,05 mm Folie 68

69 Prüfgenauigkeit bei der Spektralanalyse OES Ringversuch Ergebnisse Mit freundlicher Genehmigung des Folie 69

70 Prüfgenauigkeit bei der Spektralanalyse OES Kohlenstoff Range von 0,082 = 20% Mit freundlicher Genehmigung des Folie 70

71 Prüfgenauigkeit bei der Spektralanalyse OES - Chrom Range von 0,186 = 22 % Mit freundlicher Genehmigung des Folie 71

72 Prüfmittelfähigkeit von Werkstoffprüfsystemen Ja / Nein Nein Folie 72

73 Inhalt Vorstellung Prüfmethoden Härteprüfverfahren Rockwell Vickers - Brinell Zulässige Prüfgenauigkeit aus der Normung Messunsicherheit Werkstoffeinfluss Prüfergebnisse an Bauteilen Zusammenfassung Folie 73

74 Zusammenfassung Härteprüfung Die Streuungen Prüfergebnisse der Härteprüfung können erheblich sein, >2 HRC sind normal Die Streuungen Prüfergebnisse der Härtetiefenmessung können schnell bis zu 35% betragen Nicht berücksichtigt wurde der Einfluss verschiedener Auswertesysteme, hier sind die Gerätehersteller sehr sparsam mit der Auskunft wie Sie den Auswerten Wir haben Geräte gefunden die vermutlich außerhalb der Norm Prüfen Folie 74

75 Zusammenfassung Zwischen den beteiligten sollten genaue absprachen getroffen werden bezüglich Genaue Prüfposition Welche Messung ist die Schiedsmessung Vermutlich sind viele Diskussionen über die Prüfergebnisse Diskussionen über die Prüfgenauigkeit Diskussionen über die natürlichen Streuungen des Werkstückes Die Prozesse in den Anlagen dürften geringere Streuungen aufweisen als die Prüfergebnisse vermuten lassen Wir suchen noch Teilnehmer an weiteren Ringversuchen - Messungen Folie 75