Wo Material an seine Grenzen kommt

Die Werkstoffprüfung in der Qualitätssicherung garantiert bei MAN Truck & Bus SE Qualität, Sicherheit, und Zuverlässigkeit der Fahrzeuge.

Text und Fotos: Dr. Marcel Schoch

Lkw-Komponenten müssen enorme Belastungen aushalten. Sie sind hohen Laufleistungen, schweren Lasten, Vibrationen, ständigen Temperaturwechseln und anderen schädlichen Einflüssen ausgesetzt. Materialprüfungen bei der Werkstoffprüfung werden immer dann durchgeführt, wenn Stahl, Guss, Kunststoffe oder Schweißnähte die geforderten Festigkeiten und zulässigen Ermüdungsgrenzen potenziell nicht erfüllen. Da diese Anforderungen jedoch recht breit gefächert sind, unterhält man bei MAN in München nicht nur eine klassische Materialprüfungsabteilung, sondern hat diese in die vier Grundbereiche Messen, Cubing, Farbmetrik und Werkstoffprüfung aufgeteilt. Geleitet wird sie von der erfahrenen Maschinenbauingenieurin Kathrin Nußbaumer.

Wir von NFZ-Werkstatt hatten die Gelegenheit, uns den Bereich „Werkstoffprüfung“ näher ansehen zu dürfen. „In unserer Abteilung werden Metalle und Kunststoffe vor allem auf Festigkeitseigenschaften geprüft“, sagt Kathrin Nußbaumer, die Werkstoffprüfungen bei Erstmustern der Lieferanten, serienbegleitend und bei Reklamationen während der Serienproduktion, aber auch bei Versuchen durchführen lässt.

Strenge Systematik

Um bei der Fülle der Werkstoffprüfungen nicht die Übersicht zu verlieren, wird zu jedem Werkstück ein Prüfauftrag erstellt. „In diesem werden der Anlieferer und die Werkstoffprobe genau beschrieben“, so Stefan Regensburger. Er ist staatlich geprüfter Maschinenbautechniker und arbeitet seit 1984 bei MAN. In den Jahren konnte er sich umfassendes Expertenwissen auf dem Gebiet der Werkstofftechnik aneignen. „Darüber hinaus wird mit den zuständigen Mitarbeitern in der Produktion nochmals Rücksprache gehalten.“ Alle diese Informationen werden im LIMS (Labor-Informationssystem) gespeichert. Neben der digitalen Erfassung können sich die insgesamt fünf Mitarbeiter der Werkstoffprüfung mithilfe eines Farbsystems über den Status der Werkstoffprüfung auf einen Blick informieren. So sind Proben, die noch nicht geprüft wurden, mit blauen Karten (Materialeingang) gekennzeichnet, Proben in Bearbeitung mit gelben (Werkstattfertigmeldung) und bereits fertiggestellte Proben mit grünen Karten (Auftragsfertigmeldung). Dieses System wird bei allen Werkstoffproben angewendet, unabhängig davon, ob es sich um Stichproben aus der Produktion oder um Schadensfälle handelt.

Wird ein Bauteil zur Werkstoffprüfung geschickt, entscheidet das gesamte Team, welche Prüfmethoden zur Anwendung kommen sollen. „Hier werfen wir alle unser Know-how in einen Topf“, sagt Regensburger, „denn wir müssen das Problem erkennen und verstehen.“ So kann beispielsweise eine zu niedrige Härte des Bauteils aufgrund eines falschen Glühgefüges bereits während der laufenden Produktion festgestellt werden. „Problematisch ist hierbei, auch wenn diese strengen internationalen Standards unterliegen, dass DIN-Normen oft zu weit gefasst sind“, weiß Regensburger. „Wir haben diese daher bei MAN enger gefasst, damit es bei uns keine Materialausfälle in der Produktion geben kann.“

Die Bedeutung der Randschärfe

Um Schäden oder falsche Gefügebehandlung an Bauteilen einwandfrei erkennen und beurteilen zu können, bedarf es einer sehr guten Probenvorbereitung. Hierzu ist die „Werkstoffprüfung“ mit zahlreichen Werkzeugmaschinen ausgestattet, darunter Dreh- und Fräsbänke und die im Werk vermutlich größte Bandsäge. „Wir benötigen diese Maschinen, um aus den Bauteilen Proben herausschneiden zu können“, erklärt Manfred Ostermair. Er ist staatlich geprüfter Maschinenbautechniker und Experte für Schweißtechnik. „Diese werden senkrecht zur Oberfläche herausgearbeitet, um einen Querschnitt durch das Bauteil zu erhalten.“ Dabei ist die sogenannte Randschärfe sehr wichtig. „Um die Härtung des Metalls unter dem Mikroskop beurteilen zu können, muss der Rand der Probe zu einhundert Prozent rechtwinklig geschliffen sein. Ausfransungen oder Brüche machen eine Schadens- oder Gefügebehandlungserkennung unmöglich“, so Regensburger.

Manfred Ostermair und seine Kollegen betten die Probe daher in den speziellen duroplastischen Kunststoff Bakelit ein. Dazu wird das Harz erhitzt und die Werkstoffprobe darin eingebettet. Nach dem Abkühlen und Aushärten wird die so entstandene „Proben-Kunststoff-Tablette“ mehrfach mit Diamantschleifpaste auf einem Schleifteller bearbeitet, bis die gewünschte Randschärfe der Werkstoffprobe erreicht ist. „Anschließend wird sie, um das Gefüge noch deutlicher hervorzuheben, mit HNO₃ (Salpetersäure) oder mit der sogenannten Adler-Ätzung (rauchende Salzsäure, Eisen(III)-chlorid und Kupferammoniumchlorid, gelöst in destilliertem Wasser) behandelt“, so Ostermair. „Anschließend kann sie unter dem digitalen Mikroskop untersucht werden.“ Bei Vergrößerungen bis zu 2000-fach können so Risse (u. a. infolge von Schmiedefehlern) und Bruchkanten analysiert werden.

Zug- und Wirbelstromprüfung

Neben der rein optischen Beurteilung einer Probe stehen dem Werkstoffprüfungs-Team jedoch noch zahlreiche andere Prüfmethoden zur Verfügung. Welche zur Anwendung kommt, entscheidet das Team auch in diesem Fall immer gemeinsam. Bei Stählen, Gusswerkstoffen oder auch Aluminium kommt oft die Zugprüfung zur Anwendung. „Sie ist eine der wichtigsten Prüfmethoden in der Werkstoffprüfung, um die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs unter Zugbelastung zu untersuchen“, so Regensburger. „Bei dieser Prüfung wird ein Probestück des Materials – meist in Form einer Rund- oder Flachzugprobe nach DIN – kontrolliert mit bis zu 20 Tonnen Zugkraft in die Länge gezogen, bis es versagt, also reißt.“ Dabei werden mehrere wichtige Eigenschaften des Materials gemessen und bewertet. Darunter fallen die Zugfestigkeit, die Dehnung (Elastizität: die reversible Dehnung, und Plastizität: die irreversible Dehnung), die Streckgrenze und die Bruchdehnung. In einigen Fällen wird auch der Bruchmechanismus untersucht, also wie das Material unter der Zugbelastung versagt. Dies kann durch visuelle Inspektion des Bruchs (z. B. spröder Bruch oder duktiler Bruch) und mikroskopische Analysen erfolgen.

Eine weitere wichtige Prüfung, die zudem leicht durchzuführen ist, ist die Wirbelstromprüfung. Die Wirbelstromprüfung, auch als Eddy-Current-Prüfung bekannt, ist eine nicht zerstörende Prüfmethode zur Untersuchung von Materialien, insbesondere von metallischen Werkstoffen. Sie basiert auf den Prinzipien des Elektromagnetismus und wird bei MAN verwendet, um Oberflächenfehler, Risse oder andere Unregelmäßigkeiten in Materialien zu detektieren, ohne dass das Material selbst beschädigt wird. Hierzu wird Strom durch eine Prüfspule geleitet. Dies erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das in der Oberfläche des Materials Wirbelströme induziert. Diese Ströme fließen in geschlossenen Schleifen und sind abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität des Materials.

Keine Chance für Unregelmäßigkeiten

Wenn die Wirbelströme auf Materialfehler oder Veränderungen in der Struktur stoßen, ändern sich ihre Verteilung oder Intensität. Diese Änderungen beeinflussen das Magnetfeld und die Stromdichte. Die Prüfspule misst dann die Änderungen in der Impedanz (Widerstand und Reaktanz) des erzeugten Magnetfeldes. Diese Änderungen werden von einem angeschlossenen Messgerät erfasst und Fehler im Material durch Ausschlag im Display oder akustisch angezeigt. Mit dieser Methode lassen sich Risse, Kratzer oder Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche des Materials, Unterschiede in der Materialdichte – verursacht durch Korrosion, Abnutzung oder Materialermüdung, die zu einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit führen – oder Veränderungen in der Materialzusammensetzung erkennen.

„Diese Prüfung eignet sich hervorragend, um schnell Materialfehler beispielsweise an der Bauteiloberfläche innerhalb einer Charge aufzudecken“, so Stefan Regensburger. „Hier muss lediglich der Wirbelstrom auf die richtige Materialzusammensetzung geeicht werden. Weicht ein Werkstück davon nur geringfügig ab, spricht das Gerät akustisch oder optisch an.“ Selbst ungelernte Mitarbeiter können so unter Einweisung von Stefan Regensburger Werkstoffprüfungen bei großen Sortieraktionen vornehmen.“

Brinell, Rockwell und Vickers

Selbstverständlich werden auch Härteprüfungen durchgeführt. „Die drei bekanntesten Methoden sind Brinell, Rockwell und Vickers“, sagt Regensburger. Bei der Brinell-Härteprüfung wird eine Hartmetallkugel, meist aus Wolframkarbid, mit einer definierten Kraft auf die Materialoberfläche gedrückt. Der Durchmesser des bleibenden Eindrucks wird gemessen, um die Härte zu berechnen. Der Brinell-Härtewert (HB) wird als HBW (mit Wolframkarbidkugel) oder HBS (mit Stahlkugel) angegeben, wobei die Zahl nach dem „HB“ den Kugeldurchmesser und die Prüfkraft angibt. Die verwendete Last wird in Kilonewton (kN) angegeben. „Diese Methode eignet sich besonders für Materialien mit grober Struktur oder ungleichmäßiger Härte und ist für Proben mit einer mittleren bis hohen Materialstärke geeignet“, erklärt Regensburger. „Sie hat den Nachteil, dass der Eindruck bei weichen Materialien relativ groß ist, sodass sie nicht für dünne Proben geeignet ist.“

Bei der Rockwell-Methode wird hingegen ein Eindringkörper (meist eine Diamantkegelspitze oder eine Stahlkugel) mit einer definierten Last auf die Materialoberfläche gedrückt. Danach werden die Eindringtiefe gemessen und der Härtewert direkt ermittelt. Es gibt verschiedene Rockwell-Skalen, je nach verwendetem Eindringkörper und Last. Der Rockwell-Härtewert wird als HR (z. B. HRB oder HRC) angegeben, wobei B und C verschiedene Skalen darstellen (HRC für harte Materialien, HRB für weichere Materialien). „Der Rockwell-Test ist schneller und einfacher durchzuführen als der Brinell-Test“, so Regensburger, „und erfordert keine Messung des Durchmessers des Eindrucks, sondern nur eine Messung der Eindringtiefe. Daher wird er oft für gehärtete Oberflächen mit sehr hoher Härte verwendet. Die Skala kann je nach Testbedingungen (Art des Eindringkörpers und Last) variieren.“

Bei der Vickers-Härteprüfung wird ein Diamant-Pyramidenkörper mit einer definierten Kraft auf die Materialoberfläche gedrückt. Der Eindruck, der durch den Vickers-Test hinterlassen wird, ist ein rautenförmiger Pyramideneindruck. Die Diagonalen des Eindrucks werden gemessen, und die Härte wird aus der Fläche des Eindrucks berechnet. Der Vickers-Test ist besonders präzise und kann auf sehr kleinen Proben oder sehr dünnen Schichten angewendet werden. Aufgrund des kleinen Eindrucks ist diese Methode auch für harte Materialien geeignet. Die Härtebestimmung erfolgt auf Basis der Diagonalen des Eindrucks, was eine hohe Genauigkeit bietet.

Eine Frage der Chemie

Daneben können auch Prüfungen zum chemischen Aufbau der Metalle durchgeführt werden. „Hierzu verwenden wir ein Funkenemissionsspektrometer“, sagt Regensburger. „Es basiert auf der Funkenemissionsspektroskopie, einem Verfahren, bei dem das Material durch einen elektrischen Funken entladen wird, um dessen chemische Elemente zu identifizieren.“ Doch nicht nur Metall wird in der MAN-Werkstoffprüfung getestet, auch Kunststoffe und die Transmission von UV-Strahlung durch den Windschutzscheiben-Siebdruck. „Letztere führen wir mit einem Durchlichtdensitometer durch, um zu prüfen, ob der schwarze Siebdruck auf Windschutzscheiben genügend UV-Strahlung abhält“, sagt Regensburger. „Das ist für den Glaskleber extrem wichtig, da er sich ansonsten unter der Einwirkung der UV-Strahlung in kurzer Zeit auflösen würde.“

Die Werkstoffprüfung ist eine wichtige Abteilung bei MAN in München. Durch die präzise Analyse der Materialien werden Fehler, Ausfälle und Schäden während der Produktion und später im Betrieb vermieden, was für die Langlebigkeit der Produkte und die Sicherheit der Nutzer entscheidend ist. Darüber hinaus erfüllt MAN damit gesetzliche Normen und Anforderungen in der Nutzfahrzeugindustrie. An die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit stößt die Abteilung so gut wie nie – mit einer Ausnahme. „Müssen wir die Elementzusammensetzung einer Probe aufschlüsseln, geben wir diese nach einer Voruntersuchung zur EDX-Analyse (Energie-dispersive Röntgenspektroskopie; engl.: energy dispersive X-ray spectroscopy) an die Dekra“, erklärt Regensburger. „Das kommt aber sehr selten vor.“

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Fotos: Dr. Marcel Schoch