Querschliff, Gefüge und Randzone: Metallographie im eigenen Labor auswerten und dokumentieren

Ein einsatzgehärtetes Zahnrad zeigt nach dem Schleifen feine Risse. Ein Kunde verlangt bei der Erstbemusterung ein Schliffbild mit ausgewerteter Porosität. In beiden Fällen führt der Weg zum Querschliff, denn erst der eingebettete und polierte Querschnitt zeigt, was unter der Oberfläche eines Metallteils liegt: das Gefüge, die Randzone, den Schichtaufbau und die Fehlstellen, die von außen unsichtbar bleiben. Ausgewertet wird dieser Schliff in vielen Betrieben allerdings nicht im eigenen Haus. Die Probe geht an ein externes Labor oder wartet auf einen Termin am Rasterelektronenmikroskop, das Ergebnis kommt Tage später zurück, und jede Rückfrage startet die Schleife von vorn.

Dieser Beitrag richtet sich an Qualitätssicherung, Werkstofflabor und Fertigungsverantwortliche in Zerspanung, Umformung, Gießerei, Schmiede und Härterei. Er beschreibt, wie sich Schliffbilder im eigenen Labor auswerten lassen: von der Probenvorbereitung über die softwaregestützte Bewertung von Korngröße, Phasen und Poren bis zur Randzonenbeurteilung nach dem Härten und zur Dokumentation, die einer Reklamation standhält.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Querschliff kommt in dokumentierten Anwendungen aus zwei Gründen zurück ins eigene Labor: Externe Auswertungen kosten Tage bis Wochen Wartezeit, und eine Reklamation ist ohne belastbares Bildmaterial kaum zu führen.
Die Aussagekraft entsteht vor dem Mikroskop: Trennschnitt, Einbetten, Polieren und die passende Ätzung legen fest, welche Merkmale sichtbar werden, denn ein verschmierter Rand täuscht eine Randschicht vor und ein Polierkratzer wirkt im Bild wie ein Riss.
Die softwaregestützte Auswertung erfasst Korngröße, Phasen und Poren flächig statt entlang einer von Hand gelegten Messlinie: Das Ergebnis hängt an einer gespeicherten Einstellung und nicht an der Tagesform der auswertenden Person.
Nach dem Härten zeigt der geätzte Schliff die Tiefe der Randschicht und eine Randentkohlung entlang der Kontur, mit klarer Aufgabenteilung: Das Mikroskop liefert Lage und Bild, die Härteprüfung liefert den Härteverlauf.
Für Einschlüsse und Ablagerungen bietet eine optionale Elementanalyse am Digitalmikroskop ein Screening direkt am Gerät, das die Herkunft einer auffälligen Stelle eingrenzt und vorsortiert, welche Proben in die externe Analytik gehen.

Warum der Querschliff in der Metallverarbeitung wieder ins Haus kommt

Der erste Grund ist die Durchlaufzeit. Wer Schliffe außer Haus gibt, wartet in dokumentierten Anwendungen mehrere Tage bis Wochen auf das Ergebnis. Bei einer gesperrten Charge oder einer laufenden Reklamation kostet diese Wartezeit mehr als die eigentliche Prüfung.

Der zweite Grund sind die Kosten je Probe. Einzelne externe Auswertungen fallen kaum auf. Sobald aber Erstbemusterungen, Wareneingang und Härtereiaufträge regelmäßig Schliffe erzeugen, summiert sich die Vergabe zu einem Betrag, der eine eigene Ausstattung rechtfertigt.

Der dritte Grund ist die vorhandene Ausrüstung. In vielen QS- und Werkstofflaboren steht ein Metallographie- oder Stereomikroskop, das seit Jahrzehnten seinen Dienst tut, dessen Vergrößerung aber am Anschlag ist und dessen Dokumentation aus einer aufgesetzten Kamera und Handarbeit besteht. Messwerte werden am Okular abgelesen und abgetippt. Für die interne Frage, ob ein Gefüge in Ordnung ist, reicht das oft noch. Für einen Bericht, den ein Kunde oder Auditor akzeptiert, immer seltener.

Von der Probenvorbereitung zum auswertbaren Bild: Trennen, Einbetten, Polieren, Ätzen

Die Aussagekraft der Auswertung entsteht vor dem Mikroskop. Trennschnitt, Einbetten, Schleifen, Polieren und die passende Ätzung legen fest, welche Merkmale überhaupt sichtbar werden. Ein verschmierter Rand täuscht eine Randschicht vor, ein Kratzer aus der letzten Polierstufe sieht im Bild wie ein Riss aus, und eine zu kräftige Ätzung überzeichnet Korngrenzen. Wer ein Merkmal bewerten will, klärt deshalb vor dem Einbetten, worauf die Präparation zielt: Korngrenzen verlangen eine andere Ätzung als Phasen, Randzonen eine andere Schliffebene als Poren im Volumen.

Am Mikroskop machen Beleuchtung und Optik aus einer soliden Präparation ein auswertbares Bild. Hellfeld liefert den Überblick, Dunkelfeld hebt Risse und Ausbrüche hervor, polarisiertes Licht trennt geätzte Phasen, etwa in Grauguss mit Lamellen- oder Kugelgraphit. Weil ein Schliff selten perfekt eben liegt, verrechnet ein Digitalmikroskop der Modellreihe VHX mehrere Fokusebenen zu einem durchgehend scharfen Bild. Für Makroaufnahmen ganzer Schliffe fährt der motorisierte XY-Objekttisch die Fläche ab und setzt die Einzelbilder ohne sichtbares Raster zusammen, sodass Lage und Detail eines Befunds in einer Aufnahme dokumentiert sind.

Korngröße, Phasen und Poren softwaregestützt bewerten statt Messlinie von Hand

Die manuelle Korngrößenbestimmung gehört zu den Prüfungen mit der größten Streuung zwischen Personen. Eine Linie wird über das Bild gelegt, Schnittpunkte mit Korngrenzen werden gezählt, und ob die Linie repräsentativ liegt, hängt an der Erfahrung der auswertenden Person. In realen Projekten ist genau diese Streuung der Anlass, die Auswertung zu vereinheitlichen.

Softwaregestützt läuft die Bewertung anders. Die Korngrenzen werden im Bild erkannt und die Körner flächig statt entlang einer einzelnen Linie erfasst; das Ergebnis hängt an einer gespeicherten Einstellung und nicht an der Tagesform. Für Phasen gilt dasselbe Prinzip: Nach dem Ätzen unterscheiden sich die Bestandteile in Helligkeit oder Farbe, die Software trennt sie danach und gibt Flächenanteile aus. Die fachliche Kontrolle bleibt beim Menschen, denn die Software trennt Grauwerte und keine Werkstoffkunde.

Poren und Porosität werden über die automatische Flächenmessung erfasst: Anzahl, Einzelflächen, Flächenanteil und Größenverteilung im gewählten Bereich. Wichtig ist die Abgrenzung zu Präparationsausbrüchen, die im Übersichtsbild wie Poren wirken. Eine Detailaufnahme, die über die gesamte Tiefe scharf ist, zeigt in der Regel, ob eine Wandung gewachsen oder frisch gebrochen ist.

Randzone nach dem Härten: Randentkohlung, Randschicht und Härteverlauf im Bild

Nach dem Härten, Einsatzhärten oder Nitrieren hängt die Funktion des Teils an der Randzone. Am geätzten Schliff wird sichtbar, wie tief die Randschicht reicht, ob sie gleichmäßig um die Kontur läuft und ob eine Randentkohlung vorliegt, also eine kohlenstoffverarmte Zone, die weicher ist als der Kern. Beides lässt sich im Bild messen: die Tiefe der Randschicht senkrecht zur Oberfläche an mehreren definierten Stellen und die Ausdehnung der entkohlten Zone entlang der Kontur.

Eine Einordnung gehört dazu. Der Härteverlauf selbst kommt aus der Härteprüfung, nicht aus dem Mikroskop. Das Schliffbild zeigt, wo die Randschicht liegt und wo Härteeindrücke sinnvoll zu setzen sind, und es dokumentiert den Befund so, dass Härtewerte und Gefüge im Bericht zusammenpassen. In der Anwendungspraxis von Härtereien und bei einsatzgehärteten Verzahnungen ist diese Kombination der Normalfall: Das Mikroskop liefert Lage und Bild, die Härteprüfung die Zahl.

Schichtaufbau und Schweißnaht im selben Schliff vermessen

Der Querschliff beantwortet auch Fragen, die über das Gefüge hinausgehen. Verzinkte, vernickelte oder lackierte Teile zeigen im Schliff ihren Schichtaufbau, und die Dicke jeder Lage wird senkrecht zur Grenzfläche an mehreren Punkten gemessen. Wie diese Messung angelegt wird und was bei Haftungsfehlern und Korrosion hinzukommt, beschreibt der Beitrag „Schichtdicke und Beschichtungsfehler am Metallteil: Galvanik, Lack und Hartstoffschichten sicher beurteilen". Für sehr dünne Lagen ergänzt ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X die Auswertung an Mustern, wenn die Schichtkante im Schliffbild nicht mehr sauber aufzulösen ist.

Die Schweißnaht gehört in dieselbe Reihe. Am Nahtschliff werden Einbrandtiefe, Nahtgeometrie und Poren vermessen; in dokumentierten Anwendungen ist das die Grundlage für Verfahrensprüfungen und wiederkehrende Arbeitsproben. Der Beitrag „Schweißnaht, Lötstelle, Crimp und Kleberaupe: Fügestellen mikroskopisch prüfen und Einbrandtiefe messen" behandelt die Fügestellen im Detail.

Einschlüsse und Ablagerungen identifizieren: Elementanalyse ergänzt das Schliffbild

Im Schliff taucht regelmäßig etwas auf, das nicht ins Gefüge gehört: ein dunkler Einschluss, eine helle Ablagerung, ein Fremdmetall in der Randzone. Optisch lässt sich das eingrenzen, aber selten sicher entscheiden. Für eine erste Antwort gibt es die optionale Elementanalyse am Digitalmikroskop. Die auffällige Stelle wird im Bild ausgewählt und direkt am Gerät auf die enthaltenen Elemente untersucht, ohne neue Präparation und ohne Versand. So lässt sich die Herkunft eines Einschlusses oder einer Ablagerung eingrenzen, etwa ob ein Partikel aus dem eigenen Prozess oder aus einem zugekauften Halbzeug stammt.

Die Grenzen gehören genauso klar benannt. Diese Elementanalyse ist ein Screening und ersetzt keine Untersuchung am Rasterelektronenmikroskop mit EDX. Für die abgesicherte Bestimmung einer Stahlsorte oder Legierung reicht sie nicht aus: Ähnlich zusammengesetzte Stähle lassen sich damit nicht in jedem Fall sicher unterscheiden, und organische Rückstände lassen sich nur über ihre leichten Elemente einordnen, nicht als konkrete Substanz bestimmen. Eine Aussage zur Härte liefert sie ebenfalls nicht. Sinnvoll eingesetzt klärt sie die Mehrzahl der Routinefälle im Haus und sortiert vor, welche Proben wirklich in die externe Analytik müssen.

Vom externen Labor zur eigenen Auswertung: Aufwand, Grenzen und Dokumentation

Der Umstieg gelingt dort, wo der Umfang realistisch abgesteckt ist. Ein Digitalmikroskop mit Gefügeauswertung deckt die Routinefälle ab: Schliffbilder, Korngröße, Phasen, Poren, Randzone, Schichtaufbau und Nahtquerschnitte, dazu Bruchflächen und Verschleiß am unpräparierten Teil, wie sie der Beitrag „Bruchflächen, Risse, Grat und Werkzeugverschleiß: Schadensursachen belegen und Reklamationen abwehren" beschreibt. Die Rauheit bearbeiteter Flächen ist ein eigenes Feld mit eigenen Geräten und wird im Beitrag „Rauheit berührungslos messen: gefräste, geschliffene und gestrahlte Flächen ohne Tastschnitt prüfen" behandelt.

Ebenso klar sind die Nachbargebiete. Maße, Form und CAD-Vergleich gehören in die dimensionale Messtechnik, etwa mit einem digitalen Messprojektor der Modellreihe IM-X oder einem 3D-Scanner der Modellreihe VL als Nachbarsystemen. Die hundertprozentige Prüfung in der Linie ist Aufgabe der Bildverarbeitung, nicht des Labors. Restschmutzanalyse und technische Sauberkeit folgen einem eigenen Ablauf mit Spülung und Filterauswertung. Kunststoffteile aus gemischter Fertigung bringen wiederum eigene Fehlerbilder mit, die anders bewertet werden als Metall.

Bleibt die Dokumentation. Gespeicherte Einstellungen machen eine Auswertung wiederholbar, Bild und Messwert bleiben einander zugeordnet, und Berichte werden je Auftrag oder Charge abgelegt. In dokumentierten Anwendungen ist dieser Punkt häufig der eigentliche Auslöser der Investition, weil eine Reklamation ohne belastbares Bildmaterial kaum zu führen ist. Prüfen Sie die Machbarkeit vor der Beschaffung an eigenen Schliffen, bewusst auch an schwierigen, denn eine gut präparierte Referenzprobe sagt wenig über den Alltag.

Häufige Fragen

F Was braucht ein Betrieb, um Schliffe selbst auszuwerten?

Zwei Bausteine. Erstens die Präparation: Trennen, Einbetten, Schleifen, Polieren und, wo gefordert, Ätzen, entweder mit eigener Ausstattung oder über einen Partner, der Schliffe anfertigt. Zweitens ein Mikroskop, das misst und dokumentiert, nicht nur abbildet. Ob die Kombination für die eigenen Werkstoffe trägt, klärt ein Machbarkeitstest mit realen Proben.

F Kann ein Digitalmikroskop ein Metallographie-Mikroskop ersetzen?

Für die Routineauswertung von Schliffbildern in vielen Fällen ja: Beleuchtungsarten, durchgehende Schärfe, softwaregestützte Gefüge- und Porenauswertung und die Berichterstellung laufen in einer Bedienoberfläche, die auch gelegentliche Anwender beherrschen. Für spezielle metallographische Verfahren bleibt der Fachplatz sinnvoll. Die Entscheidung sollte am eigenen Probenspektrum fallen, nicht am Datenblatt.

F Wie wird Randentkohlung am Schliff beurteilt?

Am geätzten Querschliff hebt sich die kohlenstoffverarmte Zone vom Kerngefüge ab. Gemessen wird ihre Tiefe senkrecht zur Oberfläche an mehreren definierten Stellen, damit Schwankungen entlang der Kontur sichtbar werden. Die Härteprüfung ergänzt den Befund, denn die mechanische Wirkung der Entkohlung zeigt erst der Härteverlauf.

F Kann die Elementanalyse am Digitalmikroskop eine Stahlsorte bestimmen?

Nein. Sie ist ein Screening, das die enthaltenen Elemente an einer im Bild gewählten Stelle anzeigt und damit die Herkunft eines Einschlusses oder Partikels eingrenzt. Ähnlich zusammengesetzte Stahlsorten lassen sich damit nicht sicher unterscheiden, und eine Härteaussage entsteht nicht. Für die sichere Werkstoffbestimmung bleiben Spektralanalyse oder Rasterelektronenmikroskop mit EDX zuständig.

F Wann bleibt das externe Labor die richtige Wahl?

Bei akkreditierten Prüfaussagen, bei seltenen Spezialverfahren und bei strittigen Schadensfällen, in denen eine unabhängige Stelle gefordert ist. In dokumentierten Anwendungen hat sich eine Aufteilung bewährt: Die Routine läuft im eigenen Labor, und nach außen geht nur, was dort nicht beantwortet werden kann.

F Wie dokumentiere ich Gefügeauswertungen für Audit und Reklamation?

Zu jedem Befund gehören das Übersichtsbild mit Maßstab, die Detailaufnahmen der bewerteten Stellen und die Messwerte als Liste. Vergrößerung, Beleuchtung und Auswerteeinstellungen werden mitgespeichert, damit die Prüfung später identisch wiederholbar ist. Abgelegt wird je Auftrag oder Charge, sodass jedes Ergebnis rückverfolgbar bleibt.

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