In der Automobilindustrie herrscht ein immer härterer Wettbewerb zwischen den Unternehmen bei der Verwendung von Materialien zur Gewichtsreduzierung und gleichzeitigen Verbesserung der Steifigkeit. Mit der Einführung leistungsfähigerer Werkstoffe erfordern diese Unternehmen nun Genauigkeit, Bedienkomfort und Schnelligkeit bei der Betrachtung und Messung von Metallstrukturen. Vorgänge, die für die Auswahl und den Einsatz optimaler metallischer Werkstoffe unerlässlich sind.
Dieser Abschnitt gibt eine Einführung in die grundlegenden Kenntnisse und Probleme der metallografischen Analyse und erläutert abschließend die neuesten Anwendungsbeispiele des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX von KEYENCE.

Metallografische Analysemethoden und Optimierung von Betrachtung und Messung

Metallische Werkstoffe und die Notwendigkeit der metallografischen Analyse

Metallische Materialien werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, von der Automobil- und Luftfahrtindustrie über die Infrastruktur bis hin zu elektrischen Produkten und elektronischen Geräten. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Metalle und Legierungen ausgewählt und verwendet. Doch selbst bei exakt gleichen Metall- und Legierungsbestandteilen unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften wie Haltbarkeit und Verarbeitbarkeit je nach Metallgefüge. Die metallografische Analyse ermöglicht die Bewertung und Beurteilung von metallischen Werkstoffeigenschaften und deren Veränderungen durch Verarbeitung, Wärmebehandlung und andere Faktoren und damit die Auswahl und Verwendung geeigneter Werkstoffe.
In der Automobilindustrie und anderen Bereichen, in denen der Bruch von metallischen Werkstoffen die Produktsicherheit und Menschenleben beeinträchtigen kann, ist die Betrachtung des Metallgefüges besonders wichtig. Diese Betrachtung kann für die Bewertung und Beurteilung der mechanischen Eigenschaften, die Beurteilung nach der Oberflächen- und Wärmebehandlung und die Analyse von Fehlern wie nicht-metallischen Einschlüssen, Rissen und Blasen genutzt werden.

Mechanische Eigenschaften metallischer Werkstoffe

Mechanische Eigenschaften metallischer Werkstoffe beziehen sich auf dynamische Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit, Ermüdungseigenschaften und Verschleißfestigkeit. Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen ändern sich, wenn sich deren Metallgefüge durch die Wärmebehandlung verändert, auch wenn die Werkstoffe und Bauteile im gleichen Verhältnis vorliegen (identisches Gefüge). Neben der Beständigkeit von Werkstoffen stehen diese Eigenschaften in engem Zusammenhang mit der Effizienz der mechanischen Bearbeitung, wie z. B. Schneiden und Umformen, sowie charakteristischen Veränderungen bei der Wärmebehandlung.

Metallgefüge und Veränderungen durch Temperatur

Im Allgemeinen handelt es sich bei Metallgefügen um Kristallstrukturen, in denen die Atome regelmäßig angeordnet sind, wobei jedoch nicht alle Atome immer regelmäßig ausgerichtet sind. Kristallstrukturen, in denen viele Körner regelmäßig angeordnet sind, werden als polykristalline Strukturen bezeichnet. Grenzen zwischen Körnern in einem Bereich, in dem die Atome unregelmäßig ausgerichtet sind, werden als Korngrenzen bezeichnet.

Metallgefüge und Veränderungen durch Temperatur
  • Links: Polykristallines Metall, das aus vielen Körnern besteht
  • Rechts: Korngrenze zwischen Körnern

In den Kristallstrukturen dieser Metalle ändern die Korngrenzen ihre Muster durch Wärmebehandlung und andere Temperatureinwirkungen. Durch die Wärmebehandlung werden selbst bei gleichen metallischen Werkstoffen unterschiedliche Veränderungen erzielt, sodass sich die mechanischen Eigenschaften nach der Wärmebehandlung an den Veränderungen der Form, der Größe und der Verteilung der Körner erkennen lassen.
Als Beispiele werden im Folgenden Gefügeveränderungen in Edelstahl (SUS-Material) aufgrund einer Wärmebehandlung beschrieben.

Austenit (SUS304)
Obwohl dieser Gefügebestandteil bei Raumtemperatur nicht existiert, wird er bei Legierungen aus Fe und C bei einer Temperatur von 723°C oder darüber stabil. Die Aufnahme von Legierungselementen (Ni und Mn) zur Verbesserung der Abschreckung führt ebenfalls zu einem stabilen Gefüge. Das Austenitgefüge, das nach dem Abschrecken unverändert im Stahl verbleibt, wird als Restaustenit bezeichnet.
Martensit (SUS410)
Ein harter, aber spröder Gefügebestandteil, der sich durch schnelles Abkühlen des Austenitgefüges bildet. Durch Glühen von Martensit bei 100 bis 200°C wird Fe3C abgeschieden, wodurch dieses Gefüge etwas zäher wird, aber leichter korrodiert. Der Martensit in diesem Zustand wird als geglühter Martensit bezeichnet, um ihn vom abgeschreckten Zustand zu unterscheiden.
Ferrit (SUS430)
Ein Gefügebestandteil, der dem reinen Eisen ähnlich ist und bis zu 0,02% C in Fe enthält. Bei Umgebungstemperaturen bis 780°C ist es ein ferromagnetischer Werkstoff. Es ist duktil und gehört zu den weichsten der Eisen- und Stahlgefügen.

Der Gefügebestandteil, der durch langsames Abkühlen von Stahl im Austenitzustand entsteht, wird Perlit genannt. Der Abstand zwischen den Schichten ist je nach Abkühlgeschwindigkeit unterschiedlich. Er wird als Perlit bezeichnet, weil hauchdünne, abwechselnde Schichten aus Ferrit und Fe3C für eine perlmuttartige Farbe sorgen.

Metallografische Analysemethoden mit Mikroskopen

Im Folgenden wird der Prozess der metallografischen Analyse von der Erstellung einer Probe bis zur mikroskopischen Betrachtung beschrieben.

1. Einbetten (Füllen mit Harz)

Die ausgeschnittene Probe mit Harz aushärten. Es gibt verschiedene Arten von härtenden Harzen. Zu den häufig verwendeten Typen gehört das mit sichtbarem Licht aushärtende Einkomponentenharz, das hochtransparent ist und schnell aushärtet. Die Probe hierfür in einen zylindrischen Behälter geben und langsam aushärtendes Harz eingießen. Bei diesem Schritt muss darauf geachtet werden, dass sich keine Blasen bilden.

2. Polieren

Probe polieren: Grobpolieren mit wasserfestem Schleifpapier und Feinpolieren mit einer Oberflächenpoliermaschine. SiC-Schleiffolien von 80 bis 2400 (von grob zu fein) im Nasspolierverfahren verwenden. Beim Präzisionspolieren wird die Probe mit Kunstseide hochglanzpoliert, wobei die Diamantkörner mit einer Größe von 9 bis 0,25 Mikrometern, Schleifmittel, Schmiermittel und alkalischer Suspension aufgesprüht werden und die Oberfläche anschließend mit fließendem Wasser abgewaschen wird.

3. Beizen (Korrosion)

Die polierte Oberfläche der Probe in einer für die Probe geeigneten Beizlösung (Korrosionsflüssigkeit) eintauchen. Die Korrosionsflüssigkeit mit Wasser abwaschen, die Probe in Ethylalkohol o. ä. eintauchen und anschließend trocknen.

4. Gefügebetrachtung mit einem Mikroskop

Nach dem oben beschriebenen Prozess die polierte Oberfläche der ordnungsgemäß erstellten Probe mit einem Mikroskop betrachten. Das Gefüge vergrößern und den Fokus richtig einstellen, um die Veränderungen im Gefüge aufgrund der Wärmeeinwirkung zu betrachten. Weiterführende Messungen, wie z. B. nichtmetallische Einschlüsse, Graphit-Sphäroidisierung und das Ferrit/Perlit-Flächenverhältnis, müssen jedoch nach der Umstellung auf eine spezielle Software durchgeführt werden.

Aktuelle Anwendungsbeispiele für die metallografische Analyse

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX von KEYENCE ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der betrieblichen Effizienz und bietet darüber hinaus eine komplexe Betrachtung und Beurteilung von Metallgefügen mit hochauflösenden Bildern.

Metallografische Analyse mit hochauflösenden 4K-Bildern

Die Erstellung von Proben ist häufig problematisch, da sie einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordert. Sollte zudem die zu betrachtende Fläche auf einer eingebetteten (harzgefüllten) Probe nicht eben sein, führt schon der kleinste Höhenunterschied dazu, dass das Bild bei der Betrachtung mit hoher Vergrößerung unscharf wird.
Die Schnittstelle zur Echtzeit-Zusammensetzung des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX ermöglicht eine schnelle und einfache Tiefenzusammensetzung, ohne dass eine Fokuseinstellung erforderlich ist. Damit lässt sich das gesamte Metallgefüge fokussieren, selbst wenn der eingebettete (harzgefüllte) Bereich nicht eben ist. So kann einfach eine klare Gefügebetrachtung mit hochauflösenden Bildern durchgeführt werden.

Beispiele für die Betrachtung von Metallgefügen mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Metallgefüge (800x)
Metallgefüge (800x)
Metallgefüge
Metallgefüge
Metallgefüge
Metallgefüge
Metallgefüge (abgeschreckt)
Metallgefüge (abgeschreckt)
Metallgefüge der Titanlegierung
Metallgefüge der Titanlegierung
Metallgefüge (Polarisation)
Metallgefüge (Polarisation)
Metallgefüge von Wolfram
Metallgefüge von Wolfram
Metallgefüge von hochfestem Gussrohr
Metallgefüge von hochfestem Gussrohr
Metallgefüge mit Kohlenstofffasern
Metallgefüge mit Kohlenstofffasern

Scharfe Betrachtung dank der HDR-Funktion

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX verfügt über eine HDR-Funktion (hoher Dynamikbereich), mit der mehrere Bilder mit unterschiedlichen Belichtungszeiten erfasst werden. Dies ermöglicht die Betrachtung detaillierter Strukturen mit Bildern, die einen hohen Detailgrad und Kontrast aufweisen.

HDR-Bildaufnahme von Metallgefügen mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Metallgefüge (900x) Oben: 8-Bit-Bild / unten: 16-Bit-Bild
Metallgefüge (900x) Oben: 8-Bit-Bild / unten: 16-Bit-Bild
Geneigtes Metallgefüge (500x) Links: mit 4K-HDR / rechts: normal
Metallgefüge (500x) Links: Aufnahme in HDR / rechts: ohne HDR

Erfassung großflächiger Bilder durch Bildzusammensetzung in Hochgeschwindigkeit

Mit der Bildzusammensetzungsfunktion der Modellreihe VHX werden Bilddaten aus verschiedenen Sichtfeldern schnell und ohne Versatz zu einem Bild mit bis zu 50.000 x 50.000 Pixeln zusammengefügt. Bei unveränderter Vergrößerung und Auflösung, kann die Zusammensetzung schnell über große Bereiche erfolgen, um einen lückenlosen Überblick über das gesamte Objekt zu erstellen und somit eine effiziente Betrachtung zu gewährleisten.

Klassisches Problem: Hohe Auflösung, aber kleines Sichtfeld
Hohe Auflösung, aber kleines Sichtfeld
Automatisch gesteuertes Bildzusammensetzung mit dem 4K-Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Die Bildzusammensetzungsfunktion steuert automatisch den Objekttisch, um eine großflächige Aufnahme bei gleichzeitig hoher Vergrößerung und hoher Auflösung zu ermöglichen.
Die Bildzusammensetzungsfunktion steuert automatisch den Objekttisch, um eine großflächige Aufnahme bei gleichzeitig hoher Vergrößerung und hoher Auflösung zu ermöglichen.

Ein-Klick-Messung von Metallgefügen

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX verfügt über eine automatische Flächenmessung. Mit einem einzigen Mikroskop kann eine ganze Reihe von Arbeitsvorgängen in deutlich kürzerer Zeit einfach per Mausklick erledigt werden. So sind vergrößerte Betrachtungen von Metallgefügen und quantitative Beurteilungen von Flächenverhältnissen durch automatische Messung bis hin zur Berichtsausgabe möglich.

Automatische Flächenmessung von Metallgefügen mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Messung von Metallgefügen
Messung von Metallgefügen

Betrachtung der Sphäroidisierung von Graphit und Messung des Flächenverhältnisses

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX verfügt über eine automatische Flächenmessung/Zählfunktion. Dank der intuitiven Bedienung können Flächenmessungen und Zählungen innerhalb eines festgelegten Bereichs auf dem Objekt durchgeführt werden. Flächen, die nicht benötigt werden, können ausgeschlossen, und überlappende Segmente getrennt werden. Damit lassen sich zeitgleich zu den Betrachtungen mit dem Mikroskop weitere Messwerte in einer Tabelle oder Grafik anzeigen.

Betrachtung und automatische Flächenmessung der Sphäroidisierung von Graphit mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Sphäroidisierung von Graphit
Sphäroidisierung von Graphit
Flächenverhältnis der Sphäroidisierung von Graphit
Flächenverhältnis der Sphäroidisierung von Graphit

Von Branchenführern geforderte metallografische Analyse

Angesichts der Vorreiterrolle der Automobilhersteller arbeiten Unternehmen hart daran, ihre Führungsposition in den Bereichen neuer Materialien und Verarbeitungstechnologien zu halten, um die Kraftstoffeffizienz durch Gewichtsreduzierung zu erhöhen und die Steifigkeit zu verbessern.
Dank des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX für metallurgische Analysen können hochauflösende Betrachtungen und Messungen durchgeführt werden.

Dank einer Vielzahl an erweiterten Messfunktionen ist die Modellreihe VHX ein leistungsstarkes Werkzeug für Industriebereiche, für die sowohl Schnelligkeit als auch Genauigkeit bei der Materialauswahl erforderlich sind.
Für weitere Informationen zur Modellreihe VHX klicken Sie bitte auf die unten angezeigte Schaltfläche, um die Broschüre herunterzuladen. Für Anfragen klicken Sie bitte auf die entsprechende Schaltfläche, um KEYENCE zu kontaktieren.