Materialcharakterisierung mit 3MA

Um ihre Gebrauchseigenschaften in gewünschter Weise sicherzustellen, müssen Bauteile im Maschinen-, Kraftfahrzeug- und Anlagenbau wärmebehandelt und maschinell bearbeitet werden. Hierzu werden üblicherweise metallographische Analysen, Eigenspannungsmessungen mit Röntgendiffraktion und konventionelle Härteeindruckverfahren eingesetzt. Diesen Verfahren gemeinsam sind eine geringe Prüfgeschwindigkeit und der zerstörende Charakter der Prüfung, weshalb sie für die Prüfung der Randschichteigenschaften bereits während oder unmittelbar nach einem Fertigungsschritt in der Prozesskette weitgehend ungeeignet sind.

Mit dem am Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP entwickelten 3MA-Prüfverfahren ist vor allem eine Charakterisierung der Ausprägung der Randschichten möglich, die mit herkömmlichen Verfahren nicht zufriedenstellend zerstörungsfrei geprüft werden können. Es ist vollständig automatisierbar und kann direkt in den Fertigungsprozess integriert werden. Seine hohe Prüfgeschwindigkeit ermöglicht bei den meisten Anwendungen eine 100-Prozent-Prüfung, wobei es die schnelle und gleichzeitige Bewertung mehrerer relevanter Qualitätsmerkmale der Randschicht (0 mm bis 8 mm Bauteiltiefe) ermöglicht.

Materialcharakterisierung 3MA-Technologie
© Fraunhofer IZFP, Saarbrücken
Verstärkungselemente im Automobilbereich, die aus höchstfesten Stählen hergestellt werden, können mit der 3MA-Prüftechnologie zerstörungsfrei untersucht werden.

Kombination mehrerer mikromagnetischer Messverfahren durch 3MA-Technologie

3MA kombiniert die vier mikromagnetischen Messverfahren Barkhausen-Rauschen (BR), Überlagerungspermeabilität (μΔ), Oberwellenanalyse des tangentialen Magnetfelds (Ht) und Mehr­frequenz-Wirbelstromverfahren (MFWS). Für jedes dieser Verfahren werden mehrere Prüfgrößen ausgewertet. Insgesamt stehen 41 verschiedene mikromagnetische Prüfgrößen zur Verfügung.

Die Vorteile der Kombination von Prüfgrößen in einem Multiparameter-Verfahren sind vielfältig. Eine derartige Verfahrenskombination ist insbesondere dann unverzichtbar, wenn die zu messenden Zielgrößen (z. B. Härte, Härtetiefe) und die Störgrößen (Temperatur, Eigenspannungen, u. a.) gleich­zeitig variieren können. Da die einzelnen mikromagnetischen Prüfgrößen unterschiedlich gewichtete Empfindlichkeiten gegenüber Ziel- und Störgrößen aufweisen, kann der Einfluss der Störgrößen auf diese Weise eliminiert oder zumindest reduziert werden.

Einzige Voraussetzung hierfür ist neben ferromagnetischem, also magnetisierbarem Material eine vorangegangene Kalibrierung. Dabei werden anhand multipler Regressions-Analysen oder »nearest neighbor«-Mustererkennungsalgorithmen Approximationsfunktionen bestimmt, welche die erwünschten Qualitätsmerkmale (Zielgrößen) mit den 3MA-Messparametern (Prüfgrößen) verknüpfen.

3MA Prüfung ferromagnetischen Materialien
© Fraunhofer IZFP
3MA-Technologie zur zerstörungsfreien 100-Prozent-Prüfung von ferromagnetischen Materialien

Vorteile

  • Schnelle, zerstörungsfreie Prüfung
  • Permanente Überwachung und Dokumentation der Qualitätsmerkmale
  • Ersatz zerstörender Prüfmethoden
  • Wirtschaftlichere Produktion durch verringerte Prüf- und Fehlerfolgekosten
  • Vollständige und umfassende Prozessüberwachung durch Integration des 3MA-Systems in den Herstellungsprozess
  • Individuelle Anpassung an spezielle Anforderungen (Prüfkopf, Software)

Anwendungen

  • Ortsaufgelöste Bestimmung von Härte, Härtetiefe, Eigenspannungen bei der Hartfeinbearbeitung → Nachweis und Charakterisierung von Bearbeitungsfehlern
  • Kontinuierliche Aufzeichnung von Zugfestigkeit, Streckgrenze, etc. in Stahlbändern oder -platten → hundertprozentiger Nachweis und Dokumentation der Stahlqualität
  • Härte, Härtetiefe beim Induktions-, Einsatz-, Laser-, Nitrierhärten → Verkürzte Einricht- und Umrüstzeiten
  • Tiefzieheigenschaften und Eigenspannungen in Stahlblech → Wareneingangskontrolle bei der Blechumformung
  • Bestimmung der Eigenspannungen in eingebauten Bauteilen → Montagekontrolle, Verbundfestigkeit
  • Früherkennung von thermischer Alterung, Neutronenversprödung, Ermüdung, Kriechschädigung → Wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Komponenten

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M.Sc. Frank Leinenbach

Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP
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