HTM Praxis

Bodycote Specialist Technologies GmbH

Alexandra Bauer, Susanne Gerritsen

Max-Planck-Str. 9

86899 Landsberg a. Lech

alexandra.bauer@bodycote.com

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Neue Pyrometer Generation

Die digitale Kommunikationsschnittstelle IO-Link hat sich zur weltweit, offenen nach IEC 61131-9 standardisierten I/O-Technologie entwickelt, um zwischen der Sensorik und Steuerung zu kommunizieren. Das dafür gern verwendete Akronym „Use“ steht für „universal“, „smart“, „easy“. Dabei drückt universal aus, dass IO-Link universell mit allen Feldbussystemen und in jede Systemumgebung einsetzbar ist. Smart steht für eine durchgängige und intelligente Kommunikationslösung bis auf die Prozessebene. Easy verdeutlicht, dass mit IO-Link die Installation, Inbetriebnahme, Parametrierung und Diagnose zum Betrieb und zur Wartung einer Anlage denkbar einfach sind. Darüber hinaus zeichnet sich die IO-Link Schnittstelle durch eine sehr hohe Betriebssicherheit aus.

Vor 6 Jahren hat KELLER ITS mit der Geräteserie CellaTemp PK die ersten Pyrometer mit der modernen IO-Link Schnittstelle auf den Markt gebracht. Im Zuge der Modernisierung der CellaTemp PK Pyrometer wurde die komplette Elektronik neu entwickelt und auf Basis eines leistungsstarken Mikroprozessors die Schnittstelle auf die Version 1.1.3 und den Übertragungsstandard COM3 upgegraded.

Die neue Version 1.1.3., die ab dem 01.01.2024 verpflichtend für alle neu entwickelten IO-Link Geräte ist, bietet funktionelle Erweiterungen wie beispielsweise die Kommunikation über Gateways und Protokolle wie OPC UA (Open Plattform Communications Unified Architecture). Der offene, auf Ethernet-basierende Kommunikationsstandard bietet daher gute Voraussetzungen für die Digitalisierung und damit für die Kommunikation zwischen Maschinen und Web Servern bis in die Cloud. Dadurch wird die Echtzeitkommunikation auf Feldebene von OPC UA mit PROFINET in einem gemeinsamen Industrial Ethernet-Netzwerk möglich.

Mit der IO-Link Version 1.1.3 wurde die Systemstabilität durch klare Definitionen des Verhaltens der Geräte bei einem Master Lockdown zum Sichern der Parameter oder für das Löschen von Daten verbessert. Ein zusätzlicher Back-to-box Reset Befehl setzt das Gerät in den Auslieferungszustand zurück.

Der COM3 Übertragungsstandard besitzt eine Datenübertragungsrate von 230,4 kBaud mit einer typischen Zykluszeit nur 0,4 ms. Damit kommuniziert die neue Gerätegeneration der CellaTemp PK Serie um das 6-fache schneller, als die bisherigen Pyrometer mit dem Übertragungsstandard COM2. Dies bietet die größtmögliche Flexibilität und Sicherheit durch die dynamische Parameteranpassung des Sensors während des Betriebs. Mit den maßgeschneiderten Informationen lässt sich eine Cloud-basierte, effiziente und vorausschauende Maschinenwartung in Echtzeit realisieren.

KELLER HCW GmbH

Carl-Keller-Str. 2-10

49479 Ibbenbüren

Tel.: +49 5451 85320

albert.book@keller.de

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Infrarotmesstechnik im 3D-Druck

Speziell das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen, das auch sehr komplexe und filigrane Strukturen ermöglicht, eröffnet immer neue Anwendungen. Die Qualität des Prozesses hängt stark von den richtigen Temperaturen ab. Diese messen die Wissenschaftler am Fraunhofer ILT mit einer Infrarotkamera von Optris.

Seit über 25 Jahren ist das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen oder Laser Powder Bed Fusion (LPBF) eines der vielversprechendsten Verfahren zur additiven Fertigung von Metallen. Das 1996 am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelte und patentierte Verfahren eignet sich besonders, um Bauteile mit komplexen Geometrien herzustellen. Das Verfahren ist sehr präzise und ermöglicht es Teile zu fertigen, die mit subtraktiven Methoden überhaupt nicht herstellbar wären.

Schicht für Schicht zum fertigen Bauteil

Das Ausgangsmaterial liegt beim LPBF in Pulverform vor, das in einer dünnen Schicht auf eine Grundplatte aufgebracht wird. Ein Laserstrahl schmilzt anschließend die Bereiche des Pulvers, aus denen das Bauteil entstehen soll. Nach dem Erstarren entsteht so eine feste Materialschicht. In nächsten Schritt wird die Grundplatte abgesenkt und eine weitere Pulverschicht aufgebracht. Der Vorgang wird dann Schicht für Schicht wiederholt, sodass ein dreidimensionales Bauteil entsteht, das nur noch von dem überschüssigen Pulver gereinigt werden muss. Die Schichten sind je nach Anwendungsfall und verwendetem Werkstoff zwischen 10 und 100 Mikrometer dick. Die mit diesem Verfahren gefertigten Bauteile zeichnen sich unter anderem durch eine hohe spezifische Dichte von bis zu 100 % aus, sodass die mechanischen Eigenschaften des Bauteils sich nicht von einem subtraktiv gefertigten Bauteil unterscheiden. Die große Flexibilität, die mit LPBF möglich ist, bringt allerdings auch einen Nachteil mit sich: Die Fertigung ist vergleichsweise langsam. Deswegen wird das Verfahren überwiegend für die Herstellung von Prototypen oder Kleinserien verwendet.

Ein Zinkselenid-Fenster ermöglicht der Infrarotkamera den Blick auf den Prozess.

Am Fraunhofer ILT wird das Verfahren stetig weiterentwickelt. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern werden zum Beispiel Machbarkeitsstudien durchgeführt. Neben der Fertigung immer komplexerer Geometrien wird auch die Möglichkeit untersucht, weitere Materialien einzusetzen. „Aktuelle Projekte beschäftigen sich beispielsweise damit, Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram oder Molybdän, zu verwenden“, sagt Tim Lantzsch, Abteilungsleiter Laser Powder Bed Fusion am Fraunhofer ILT. Diese sind allerdings aufgrund des hohen Schmelzpunkts von teilweise über 3.000 °C nur schwierig prozesssicher zu verarbeiten. Um solche und ähnlich Forschungsprojekte durchzuführen, betreibt das Fraunhofer ILT mehrere LPBF-Laboranlagen.

Temperatur als wichtige Messgröße

Temperaturen spielen im gesamten LPBF-Prozess eine entscheidende Rolle. Der Laserstrahl ist in der Lage, das Material extrem schnell zu erwärmen – bis zu 1 Mio. Kelvin pro Sekunde sind dabei möglich. Direkt im Anschluss kühlt das Material dann schnell wieder ab. Dabei besteht die Gefahr, dass es zu Spannungen, Schrumpfungen, Phasenumwandlungen oder anderen physikalischen Effekten kommt, die sich negativ auf die Qualität auswirken. „Rissbildungen oder plastische Verformungen können dann letztendlich zu Ausschuss führen“, nennt Tim Lantzsch typische Probleme. Um fehlerhafte Bauteile zu vermeiden, wurden am Fraunhofer ILT verschiedene Ansätze entwickelt. „So heizen wir beispielsweise die Grundplatte auf, um die Spannungen durch zu große Temperaturgradienten zu minimieren“, erklärt Andreas Vogelpoth, der im Bereich Process & Systems Engineering in der Abteilung tätig ist. Wie stark die Grundplatte aufgeheizt wird, hängt unter anderem vom verwendeten Material ab. Die Parameter, die die Temperatur des Bauteils beeinflussen, verändern sich allerdings während des Prozesses. „Der Abstand zur geheizten Grundplatte wird von Schicht zu Schicht immer größer, das Pulverbett ist ein schlechter Wärmeleiter, Abstrahlung spielt eine Rolle und natürlich bringt auch der Laser Wärme ein“, nennt Andreas Vogelpoth wichtige Einflüsse auf die Temperatur. Dementsprechend muss die Heizung im Verlauf des Prozesses angepasst werden.

Um den Prozess optimieren zu können, ist aber eine genaue Überwachung der Temperaturen erforderlich. Zum Einsatz kommt hierfür eine Infrarotkamera vom Typ PI640 von Optris, die Temperaturen bis zu 1.500 °C messen kann. Die Kamera ist außerhalb der Prozesskammer montiert, in die hierfür ein Zinkselenid-Fenster integriert ist. Die Infrarotkamera ist sehr kompakt und lässt sich entsprechend einfach oberhalb des Fensters montieren. Mit einer Auflösung von 640 × 480 Pixel kann sie auch kleinere Strukturen der Bauteile auflösen.

Emissionsgrad verändert sich

Eine Herausforderung bei der Temperaturmessung ist der Emissionsgrad der Oberflächen. „Zum Beispiel sind die Emissionsgrade von Pulver und Festkörper des gleichen Metalls verschieden“, weiß Andreas Vogelpoth: „Und eine Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit besteht ebenfalls.“ Der Emissionsgrad wurde deswegen in verschiedenen Versuchsreihen ermittelt, bei denen die Temperatur im Pulver bzw. im Festkörper nicht nur mit der Infrarotkamera, sondern gleichzeitig über Thermoelemente gemessen wurde. Bei den Versuchen, die während des Aufbaus eines Bauteils durchgeführt werden, misst die Infrarotkamera dann die Temperatur des Bauteils, nachdem das Schmelzbad wieder erstarrt ist. Die Steuerung der Anlage triggert die Infrarotkamera dabei über eine digitale Schnittstelle. Dies kann etwa geschehen, kurz nachdem der Laser abgeschaltet wurde und bevor die nächste Pulverschicht aufgetragen wird. Hierdurch können verschiedene Effekte untersucht werden. Typische Messungen bestimmen etwa das Abkühlverhalten nach dem Umschmelzen oder die Ableitung der Wärme über das Pulverbett. Auf diese Weise kann die Heizung des Bauteils dann so eingestellt werden, dass fehlerhafte Bauteile vermieden werden.

Einfache Auswertung der Thermografie-Bilder

Die PI640 Infrarotkamera ist über eine USB-Schnittstelle an einen PC angeschlossen, auf dem die Analyse-Software PIX Connect installiert ist, die von Optris zusammen mit den Infrarotkameras ausgeliefert wird. Die Software analysiert Thermografie-Bilder in Echtzeit und bietet umfassende Aufnahme- und Auswertungsmöglichkeiten. Eine Archivierung der Aufnahmen ist möglich. „Die Speicherung der Bilder in einem offenen Format ist für uns sehr wichtig“, nennt Andreas Vogelpoth einen Vorteil des Systems. Und auch die sehr komfortable Auswertung der Thermografie-Bilder innerhalb von PIX Connect ist für ihn ein wichtiger Aspekt. Am Fraunhofer ILT kommt die PI640 seit rund fünf Jahren zum Einsatz. Vorher wurden in vielen Fällen nur Pyrometer verwendet, bei denen die Temperatur immer nur an einem Punkt gemessen werden konnte. „Insgesamt ist die Infrarotkamera von Optris für unsere Zwecke sehr gut geeignet“, fasst Tim Lantzsch zusammen: „Sie ist kompakt, dadurch leicht mechanisch zu integrieren und einfach zu bedienen.“

Optris GmbH

Ferdinand-Buisson-Str. 14

13127 Berlin

Te.: +49 30 500 197-0

info@optris.de

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Steinbachstr. 15

52074 Aachen

Tel.: 49 241 8906-0

tim.lantzsch@ilt.fraunhofer.de

www.ilt.fraunhofer.de

Auszeichnung für Excor

Die neuartige Korrosionsschutzfolie ICB des Unternehmens Excor Korrosionsschutz-Technologien und -Produkte GmbH hat beim diesjährigen German Innovation Award in der Hauptkategorie „Excellence in Business to Business“ die Auszeichnung „Special Mention“ erhalten.

ICB steht für Intelligence Corrosion Blocker und bietet für Nutzer und Umwelt einen Mehrwert. Denn die Folie reagiert auf Feuchtigkeit in der Luft und gibt den Korrosionswirkstoff erst frei, wenn er benötigt wird. Dadurch hält der Schutz länger an und bietet eine bessere Depotwirkung als bisher auf dem Markt erhältliche Korrosionsprodukte – so Excor. Es wird also unterm Strich weniger Material benötigt. Dabei ist die Korrosionsschutzwirkung nach Unternehmenangaben ebenso effektiv wie bei dem etablierten VCI-Wirkstoff, den Excor auch in Form verschiedener Korrosionsschutzlösungen anbietet. Dieses Prinzip überzeugte auch die Jury des German Innvoation Award. Die Auszeichnung erhielten jene Innnovationen, die durch wohldurchdachte Teilaspekte, originelle Ansätze oder versierte Detaillösungen überzeugten, hieß es beim Rat für Formgebung.

ICB ist nun auch für Guss und Stahl ein metallspezischer Korrosionsschutz. Entwickelt hat Excor den neuen Wirkstoff ICB in seinem Korrosionsforschungslabor in Dresden. Dort arbeitet man auch stetig an Verbesserungen der Korrosionsschutzprodukte wie z. B. an metallspezifischen Wirkstoffen. Denn es gibt kein Korrosionsschutzprodukt, das alle Metallarten in gleicher Weise schützen kann. Ein Anwender, der ein bestimmtes Metall vor Korrosion schützt, kann dabei ein anderes schädigen. Die Ursache dafür liegt in den jeweils metallspezischen Korrosionsvorgängen. Auf diese natürlichen Unterschiede stimmt Excor seine Korrosionsschutzmittel ab.

ICB gab es zunächst nur für Aluminium und Stahl (Typ Q). Jetzt hat Excor sein Portfolio um die ICB-Folie Typ GS erweitert, die speziell auf den Schutz von Guss und Stahl abgestimmt ist.

Excor Korrosionsschutz-Technologien und -Produkte GmbH

Tonlandstr. 2

34346 Hann. Münden

Tel.: +49 5541 7787111238

katinka.thiedemann@excor.de

www.excor.de

Wärmebehandlung von Kathoden/Anoden

ONEJOON, der Industrieofenbauer und Spezialist für Wärmebehandlungsprozesse, war kürzlich auf der Messe InterBattery Aussteller. Dabei legte das Unternehmen seinen Fokus auf Anlagen und Wärmebehandlungsprozesse von Kathoden- und Anodenaktivmaterial. ONEJOON stellte hierzu Konzepte wie den Schubplattenofen mit hohem Durchsatz für die Herstellung von Kathodenaktivmaterial (CAM) und seine Rollenherdöfen. Besonders bei der Wärmebehandlung von Batteriepulver stellt sich das Unternehmen als Entwicklungspartner seiner Kunden auf. Mit seinen TestCentern und dem L2P-Programm („lab to production“) begleitet das Unternehmen seine Kunden auf dem Weg vom Labor in die industrielle Produktion. Das betrifft insbesondere die Herstellung von Batteriematerialien, da gerade in diesem Bereich viele neuartige Materialien erprobt werden. Die entsprechenden Produktionsprozesse müssen folglich schnell hochskaliert werden. ONEJOON ist dabei nicht nur Ofenlieferant, sondern stellt die gesamte Prozesskette zur Verfügung. Dazu zählt auch die Technik für das Pulverhandling.

Das Unternehmen blickt nach eigenen Angaben auf 15 Jahre Erfahrung mit Öfen für die Wärmebehandlung von Kathodenaktivmaterial zurück. Auf diesem Gebiet konnte es bislang 70 Rollenherdöfen ausliefern und sieht sich als Technologieführer für gasdichte Rollenherdöfen.

ONEJOON GmbH

Auf der Mauer 1

37120 Bovenden

Tel.: +49 551 820830-0

joachim.patricke@onejoon.de

www.onejoon.de

Komponenten zu Elektrifizierung und Digitalisierung industrieller Wärmebehandlungsprozesse

Immer mehr Wärmebehandlungen erfolgen elektrisch mit den skalierbaren ein- bis dreiphasigen Leistungssteller der GPC-Baureihe. Bild: GEFRAN

Energie erzeugen

Beschichtungsanlagen für Photovoltaikmodule profitieren vom Einsatz der neuesten Generationen von Hableiterrelais und Leistungsstellern aus dem Hause GEFRAN. Die hohe Regelgenauigkeit und -geschwindigkeit sowie die Auslesbarkeit von Prozessparametern wie Strom, Spannung und Temperatur der Mehrkanalgeräte GFX4-IR sowie der jüngsten Produktfamilien GRP und GRM machen sie in Verbindung mit der Einsetzbarkeit für verschiedenste elektrische Heizwiderstände zum Garanten für effiziente und qualitativ hochwertige Prozesse.

Das Anwendungsfeld umspannt hierbei alle thermischen Prozesse vom Vorheizen über das Beschichten bis hin zum Trocknen. Besonders kritisch ist das Beschichtungsverfahren von Wafern, den Grundplatten für elektronische Bauelemente. Dabei werden gleich mehrere der nur 0,18 bis 0,25 mm dünnen Silizium-Scheiben in aufeinanderfolgenden Vakuumkammern auf eine Temperatur von 1.600 °C erhitzt und mit Metall bedampft, um eine Antireflexionsschicht auf der Oberfläche zu erzeugen. Nach dem Aufdampfen werden die Zellen auf Umgebungstemperatur abgekühlt.

Energie konvertieren

Unter dem Schlagwort Power-to-X arbeitet GEFRAN in mehreren Kundenprojekten beispielsweise mit Power-to-Heat. Dabei konvertieren skalierbare ein- bis dreiphasige Leistungssteller der GPC-Baureihe mit Leistungen bis zu 700 kW pro Gerät in Industriekesseln Strom in Wärme. Vorteil ist die Anbindung an jede gängige Feldbusschnittstelle. Im Bereich Power-to-Gas steuern die Leistungssteller Wärmeprozesse bei der Erzeugung von blauem (Methan-Dampfrefomierung) und grünem (Hochtemperaturelektrolyse) Wasserstoff, welche selbst als sauberer Energieträger für Brennstoffzellen verwendet oder in Verbindung mit Kohlenstoff methanisiert werden kann.

Bei der Dampfreformierung wird einem aliphatischen Kohlenwasserstoff wie Erdgas, Methanol, Biogas oder Leichtbenzin Wasser und Umgebungsluft zugeführt. Anschließend wird das Gemisch in einem mehrstufigen Reformerprozess unter Druck gesetzt und überhitzt. Die Spaltprodukte sind reiner Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂). Das als Abscheideprodukt erzeugte CO₂ kann für industrielle Zwecke (z. B. als Zuschlagstoff für Zement) verwendet und gebunden werden. Bei diesem Prozess kommen je nach Leistungsgröße die neu entwickelte Leistungssteller der Baureihen GRP und GRM zum Zug.

Die GRM-H-Serie umfasst einphasige Leistungsregler, die in einer Master-/Slave-Konfiguration zusammen mit Halbleiterrelais wie dem GRP-H auch die Steuerung von dreiphasigen Lasten ermöglichen. Sie sind mit allen wichtigen Betriebsarten ausgestattet und ermöglichen auf diese Weise auch die Steuerung nichtlinearer Heizelemente. Zusätzlich zur Soft-Start-Funktion bieten die Regler Feedback-Algorithmen, die sie zu einer konstanten Quelle mit veränderbaren Sollwerten für Spannung, Strom oder Leistung machen. Die optionale IO-Link-Schnittstelle ermöglicht die Übermittlung von Prozessdaten wie Strom, Spannung, Leistung, Temperatur und Statusmeldungen für die vorausschauende Wartung der Anlage bis in die Leitebene.

Energie speichern

Das Kathodenaktivmaterial (CAM) und das Anodenaktivmaterial (AAM) von LithiumIonen Batteriezellen werden durch Kalzinieren und Sintern bei hohen Temperaturen bis 1.600 °C hergestellt. Diese thermischen Prozesse finden in Durchlauföfen mit vielen vernetzten Heizzonen statt. Für das Lastenmanagement dieser Heizzonen bietet GEFRAN Leistungssteller wie die Geräte der GPC-Serie in Kombination mit dem intelligenten Lastmanagementsystem GSLM.

Die GPC-Leistungssteller steuern hier in der Regel nicht-lineare Lasten wie SiC-Heizelemente und Transformatoren. Sie sind mit leicht austauschbaren Sicherungen ausgestattet und verfügen über vollständig konfigurierbare analoge und digitale Ein- und Ausgänge für die Übertragung von Prozessvariablen und die Übermittlung von Alarmsignalen an Leitsysteme. Für die Einbindung in „Smart Factories“ können sie optional mit allen gängigen Feldbussystemen ausgerüstet werden. Zusätzlich garantiert die ODVA-Zertifizierung (Ethernet/IP) eine sichere Integration.

Vor allem in Infrarotöfen sind die Hableiterschütze und Leistungssteller der Baureihen GRP und GRM von GEFRAN Garanten für effiziente und qualitativ hochwertige Prozesse. Bild: GEFRAN

Typischerweise werden in einer Anlage 20 oder mehr Öfen mit hohen Lasten bis zu 500 A vernetzt betrieben. Das intelligente Management dieser Lasten übernimmt der GSLM Smart Load Manager. Im Zusammenspiel mit GPC Power Controllern koordiniert er mithilfe der beiden intelligenten Algorithmen „Load Sharing“ (Lastverteilung) und „Load „Shedding“ (Lastbegrenzung) die Schaltfolge und Einschaltdauer von bis zu 64 Heizzonen so, dass der Energieverbrauch unter Vermeidung von Lastspitzen möglichst gleichmäßig über die Einschaltdauer verteilt wird und gleichzeitig die voreingestellte Leistungsgrenze zu keinem Zeitpunkt überschritten wird.

Elektrifizieren

Ob Wärmebehandlungsanlagen oder Öfen zur Herstellung von Aluminium und Glas – in dem umfangreichen Produktportfolio von GEFRAN finden sich die geeigneten Geräte, um die Elektrifizierung und Digitalisierung all diese Prozesse und damit den Energiewandel zu realisieren – für eine saubere Zukunft. Vom Nullpunktschaltenden Halbleiterrelais GRS-H mit 15 A bis zum Leistungssteller GPC mit 600 A und allen Betriebsarten, vom schlichten digitalen „An-Aus“ bis zur Vernetzung mit allen gängigen Feldbussystemen oder der fortschrittlichen IO Link Kommunikation mit der vollen Bandbreite an Diagnostik und Prozessdatenerfassung für eine optimale Produktionssteuerung und vorausschauende Wartung – alle Lösungen zeichnen sich durch Energieeffizienz, den Wegfall von Verunreinigungen aus fossilen Wärmequellen und eine präzisere Prozesssteuerung sowie mehr Möglichkeiten der Prozessdatenerfassung und -überwachung aus und bieten dadurch eine weitaus höhere Nachhaltigkeit.

Gefran Deutschland GmbH

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63500 Seligenstadt

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Auftrag für SMS group

Im Rahmen der METEC in Düsseldorf hat Inner Mongolia Chuangyuan Plate Co. Ltd. einen Auftrag an die SMS group vergeben. Das Unternehmen ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der Shandong Innovation Group. Mit den Kaltwalzwerken baut Shandong Innovation ihre Marktposition im Bereich Flachprodukte weiter aus. Die Produktion erfolgt in einem breiten Leistungsspektrum von weichen bis hin zu harten Güten.

Das Kaltwalzwerk der SMS group wird mit allen Einrichtungen für den Ein- und Auslaufbereich geliefert. Zum Lieferumfang gehören dementsprechend auch Ab- und Aufwickelhaspel, alle erforderlichen Einrichtungen für den Coil- und Spulentransport sowie die Fluidtechnik. Das X-Pact Level 2-System sorgt für eine optimale Einstellung des Walzspaltes, während laut SMS group die technologischen Regelsysteme die Einhaltung enger Dicken- und Planheitstoleranzen sicherstellen. Die Vielzonenkühlung sorgt für eine optimale Planheit.

Ferner soll die induktive Bandkantenerwärmung die Bildung strammer Bandkanten, einen häufig auftretenden Fehler beim Kaltwalzen von Aluminium, verhindern. Die Induktionserwärmung sorgt für eine hochpräzise Erwärmung der Arbeitswalzen im Bandkantenbereich und arbeitet sehr energiesparend.

SMS group liefert das Kaltwalzwerk mit der neuesten Generation des X-Pact Elektrik- und Automationssystems für Aluminiumwalzwerke, das Betriebs- und Ablaufsteuerungen sowie Regelungen für Nebenanlagen wie z. B. Walzölsystem und Niederdruck- und Hochdruckaggregate umfasst. Das Visualisierungskonzept der X-Pact VIsion HMI mit integrierter Faceplate-Technologie ermöglicht eine einheitliche Bedienerführung sowie eine komfortable und sichere Bedienung der gesamten Anlage.

SMS group GmbH

Eduard-Schloemann-Str. 4

40237 Düsseldorf

Tel.: +49 211 8881-0

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CQI-9 – Richtlinie für die Wärmebehandlung

Führende Automobilhersteller wissen, dass Metalle viele ihrer wichtigen Eigenschaften, wie z. B. Härte oder Zugfestigkeiten, erst durch eine gezielte Wärmebehandlung erhalten. Um diese zu gewährleisten, haben Automobilhersteller gemeinsam entsprechende Vorschriften für ihre Lieferanten erstellt. Dennoch herrscht oftmals Unsicherheit in der Branche darüber, wie einerseits diese Vorschriften umzusetzen sind, anderseits der Prozess effizient und kostengünstig aufgesetzt werden kann.

Derjenige, der den Wärmebehandlungsprozess durchführt und in vertraglicher Verpflichtung steht, muss diese Vorschriften nachweislich einhalten. Die Richtlinie Continuous Quality Improvement (CQI) ist in der Automobilbranche absoluter Standard. Die Wärmebehandlung ist in der CQI-9 geregelt und ist ein MUSS für alle Zulieferer dieser Branchen. Die aktuelle 4. Auflage ist ein Gemeinschaftswerk von OEM, Tier-I-Lieferanten, Wärmebehandlungslieferanten und Kalibrierunternehmen, die Dienstleistungen für die Wärmebehandlungsindustrie erbringen. Sie gilt somit als Gold-Standard in der Branche, nimmt die Lieferanten in die Pflicht und sichert insgesamt die Qualität.

Während die Richtlinie CQI-9 auf die Wärmebehandlung ausgerichtet ist, fokussiert sich die Richtlinie CQI-11 auf die galvanische Beschichtung, die CQI-12 auf Oberflächenbeschichtung und die CQI-29 auf Hartlötprozesse. Konkret formulieren diese CQI Richtlinien einerseits die Anforderungen der Automobilindustrie an die installierten Systeme und andererseits die Vorgehensweise bei der Durchführung von Prozessaudits in den einzelnen Spezialprozessen.

Richtlinien bedeuten Mehraufwand und Kosten für Lieferanten

CQI-9, -11, -12 und -29 stellen strenge Anforderungen an produzierende Unternehmen, die Thermoprozesstechnik einsetzen. Dies beinhaltet eine detaillierte Überwachung der Prozesse, um sicherzustellen, dass die Anlagen und Geräte korrekt arbeiten und die geforderten Temperaturen und Zeitintervalle eingehalten werden. Es müssen regelmäßige Inspektionen und Prüfungen durchgeführt werden, um die Sicherheit und Qualität der produzierten Produkte zu gewährleisten. All diese Anforderungen bedeuten einen erheblichen Aufwand und Kosten für produzierende Unternehmen.

Gerade für Automobilzulieferer, die seit Jahren unter enormen Druck der Automobilhersteller stehen, haben diese Anforderungen Einfluss auf die Profitabilität. Doch mit ähnlichen Problemen sehen sich auch die Zulieferer aus der Luftfahrtbranche konfrontiert.

Die nächste Regulierung steht mit der ISO/FDIS 20431 vor der Tür. Bei dieser Norm geht es um ein Prozessmanagementsystem für die Wärmebehandlung von Produkten. Konkret legt die Norm Anforderungen an das Prozessmanagementsystem fest, die der Wärmebehandler erfüllen muss, um sicherzustellen, dass seine Produkte den Anforderungen seiner Kunden entsprechen. Die ISO/FDIS 20431 gilt für alle Industriebereiche und ist nicht nur auf die Automobilindustrie oder Luft- u. Raumfahrt fokussiert.

Die wichtigsten Schritte für einen strukturierten Prozess

Aus langjähriger Praxis und zahlreichen Gesprächen mit Unternehmensvertretern kennen Christoph Bollgen, Branchenmanager Thermoprozesstechnik bei JUMO und Markus Milde von mmilde consulting die Unsicherheit in der Branche darüber, wie die CQI-9, CQI-11, CQI-12 und CQI-29 in der Praxis umzusetzen sind. Folgende erste Schritte zur Bestandsaufnahme und Evaluierung sollten danach Unternehmen gehen:

• Durführung des Prozessaudits durch einen neutralen Fachauditor/Wärmebehandlungsexperten, um Betriebsblindheit zu eliminieren und das tatsächliche Verbesserungspotential aufzudecken

• Überführung des festgestellten Verbesserungspotentials in einen Maßnahmenplan

• Umsetzung aller festgelegten Maßnahmen (Erstellung von Arbeitsanweisungen, Verfahrensanweisungen, Parametersätzen, allg. operative Dokumente etc.)

• Sensibilisierung alle Prozessbeteiligten für die richtige Handhabung des aufgebauten Prozessmanagementsystems

• Sensibilisierung zum CQI-9, CQI-11, CQI-12, CQI-29 Prozessauditor

• Sensibilisierung der Instandhalter/Prozessbeteiligten für die richtige Überprüfung von Wärmebehandlungssystemen/Prozesslinien (Thermoelemente, Instrumente, Instrumentierungsprüfung, SAT System-Genauigkeits-Überprüfung, TUS Temperatur-Gleichmäßigkeits-Überprüfung)

• Praktische Übungen an betriebsinternen Wärmebehandlungssystemen/Prozesslinien (Instrumentierungsprüfung, SAT, TUS)

• Kombination von Prozessaudit, Mitarbeitersensibilisierung und scharfe Überprüfung des Wärmebehandlungssystems bzw. der Prozesslinie

• Modifizierung der MSR-Technik am Wärmebehandlungssystems bzw. in der Prozesslinie (Regler, Schreiber, Thermoelemente, Kalibrator, Datenrekorder, Automatisierungssystem etc.)

• Erstellung und Aufrechterhaltung eines Thermoelementverwaltungssystem

• Optimierung des Prozesses bzw. der Parametersätze

• Aufrechterhaltung des Prozessmanagementsystems

• Rundum-sorglos-Paket möglich – Alles aus einer Hand – Vom Erstaudit bis zum richtlinienkonformen Prozessmanagementsystem.

JUMO GmbH & Co. KG

Christoph Bollgen

Moritz-Juchmann-Str, 1

36039 Fulda

Tel.: +49 661 6003-0

mail@jumo.net

www.jumo.net

mmilde consulting GmbH & Co. KG

Markus Milde

Rosmarinweg 37

44261 Dortmund-Holzen

Tel.: +49 2304 9406916

info@mmilde.com

www.mmilde.com

Primetals – Aktuelles

Der chinesische Stahlhersteller Maanshan Iron and Steel – auch bekannt unter dem Namen Masteel – hat vor Kurzem eine von Primetals gelieferte 6-strängige kombinierte Knüppel- und Vorprofilgießanlage in Betrieb genommen.

Der Auftrag umfasste das Engineering, die Lieferung der Hauptkomponenten, die Level 1- und 2-Automation sowie Beratungsdienstleistungen für die Implementierung und Inbetriebnahme.

Die Gießanlage hat eine Jahreskapazität von 1,1 Millionen Tonnen und gießt Baustahl, niedrig legierte Stahlsorten sowie Stahl für die Bergbauindustrie. Dank der hohen Produktivität der neuen Anlage von bis zu 330 Tonnen pro Stunde wird Masteel seine Jahresproduktion deutlich steigern können.

Ein Dualtyp-Oszillator sorgt für hohe Oszillationsgenauigkeit und ermöglicht eine optimale Schmierung der Kokille und eine bestmögliche Oberflächenqualität. Die Sekundarkühlung von Primetals Technologies verhindert eine Überkühlung de Flanschspitzen und die Entstehung von Oberflächenrissen. Die 5-strängige Gießanlage verfügt außerdem über das patentierte kontinuierliche Richtkonzepte von Primetals zur Reduzierung der durch den Richtprozess verursachten Spannungen.

Das Level 2-Automatisierungssystem CC Ootimizer übernimmt die Produktionsplanung und zeichnet Daten zu Wärme, Strangbedingungen und Produkten während des Gießprozesses auf. Die Prozessoptimierungslösung umfasst auch mehrere Expertensysteme. Yield Expert, ein System zur Schnittlängenoptimierung, passt den Strang so an, dass die Anzahl der für die Produktion vorgesehenen Teile maximiert wird. Produktionsereignisse und qualitätsbezogene Informationen sind Beispiele für Daten, die von Quality Expert gesammelt und ausgewertet werden. Abgerundet wird die Produktionsoptimierungslösung durch den Speed Expert, ein System zur Berechnung der optimalen Gießgeschwindigkeit.

Im Stahlwerk von thyssenkrupp Rasselstein in Andernach wurde eine modernisierte Band-Längsteilanlage von Primentals Technologies in Betrieb genommen. Die Modernisierung umfasste das Level 1-Automatisierungssysstem inklusive Visualisierung und das Antriebssystem „Schere 1“.

Primetals Technologies hatte die Verantwortung über das Engineering, das Projektmanagement und die Implementierung der neuen Lösung. Die Standard-Softwarelösung der Basisautomatisierung von Behandlungslinien wurde in der Engineering-Phase an die Bedürfnisse von thyssenkrupp Rasselstein angepasst. Das Ergebnis ist eine All-in-One-Software für alle relevanten Automatisierungs- und Technologiefunktionen, einschließlich Fahrschaltung, Ablaufsteuerungen mit Unterstützungsfunktionen, Materialverfolgung, Diagnose, Datenmanagement und Hilfssteuerungsfunktionen. Primetals lieferte außerdem neue AC- und DC-Antriebe, eine hydraulische Antriebssteuerung und eine Software-Sicherheitslösung für die Bedienung der „Schere 1“.

Das Projekt umfasst eine moderne visuelle Bedien-Schnittstelle mit Diagnosefunktionen. Das neue System erleichtert damit die Bedienung der Band-Längsteilanlage. Darüber hinaus können Wartungsarbeiten aufgrund der deutlich verbesserten Diagnose für die Anlage nun noch effizienter durchgeführt werden.

Primetals Technologies Limited

Chiswick Park, Building 11

GB-W45YS London

Tel.. + 33 1 4267 6075

contact@primetals.com

www.primetals.com

Messen, Tagungen, Seminare

Vom 26. – 28. 09. 2023 findet in Stuttgart die Parts2clean, die Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung statt.

Informationen unter www.parts2clean.de

Vom 26. – 28. 09. 2023 findet im Design-Konferenzhotel Steinernes Schweinchen in Kassel das Seminar „Elektrotechnik des Lichtbogens“ der Stahlakademie Düsseldorf statt.

Informationen unter www.stahl-akademie.de

Am 27./28. 09. 2023 veranstalten die Deutsche Vereinigung für Verbrennungsforschung und die Deutsche Sektion des Combustian Institute an der Technischen Universität Berlin den 31. Flammentag für nachhaltige Verbrennung.

Informationen unter www.flammentag.de

Vom 02. – 06. 10. 2023 findet bei der W. S. Werkstoff Service GmbH in Essen das Seminar „Aufbau und Eigenschaften von Metallen“ statt.

Informationen unter www.werkstoff-service.de

Am 09./10. 10. 2023 findet im it Trainingshaus in Dresden das Seminar „Werkstofftechnik und Stahlkunde – einfach, anschaulich, greifbar“ der Technischen Akademie Esslingen statt.

informationen unter www.tae.de

Vom 10. – 12. 10. 2023 findet auf dem Messegelände Karlsruhe die DeburringEXPO statt, die 5. Leitmesse für Entgrattechnologie und Präzisionsoberflächen.

Informationen unter www.deburring-expo.de

Vom 10. – 13. 10. 2023 findet die MSV Brno, die Internationale Maschinenbaumesse, statt.

Informationen unter www.bvv.cz

Vom 17. -19. 10. 2023 findet beim Forschungszentrum Jülich das Weiterbildungsseminar „Hochtemperaturkorrosion“ statt.

Informationen unter www.dgm.de

Am 18./19. Oktober 2023 findet an der Leibniz Universität Hannover an der Universität 2 in Garbsen das Seminar „Moderne Beschichtungsverfahren“ statt (auch online !). Themen der Veranstaltung u. a.: Verfahren und Anwendung der CVD-Technik, Verfahren und Anwendung der PVD-Technik, thermochemische Oberflächenbehandlung – Randzonenhärteverfahren, Diagnostik bei thermischen Beschichtungsverfahren, Prüfen und Bewerten von Beschichtungen.

Informationen unter www.dgm.de

Am 24./25. 10. 2023 findet bei der Karl Dungs GmbH & Co. KG in Urbach das Seminar „Industrielle Thermprozessanlagen“ statt. Inhalt der Veranstaltung u. a.: Grundlagen der industriellen Verbrennungstechnik, Anwendungsbeispiele und Brennertypen in der Prozesswärme, Flammenüberwachung und Schutzsystem nach ISO 13577-4, Steuerung und Regelung von Emissionen. Seminarziel u.a.: Überblick über Aufbau und Funktion von industriellen Thermprozessanlagen.

Informationen unter www.dungs.com

Vom 07. – 10. 11. 2023 findet in Stuttgart die Blechexpo statt, die internationale Fachmesse für Blechbearbeitung.

Informationen unter www.blechexpo-messe.de

Vom 07. – 10. 11. 2023 findet in Stuttgart die Schweisstec statt, die internationale Fachmesse für Fügetechnologie.

Informationen unter www.schweisstec-messe.de

Vom 07. – 10. 11. 2023 findet in Frankfurt am Main die formnext 2023 statt, die Branchenplattform für die additive Fertigung und den industriellen 3D-Druck.

Informationen unter www.formnext.mesago.com

Metallurgischer Maschinenbau – verhalten optimistisch

Die durch VDMA Metallurgy vertretenen Branchen aus dem metallurgischen Maschinen- und Anlagenbau zeigten sich in einer aktuellen Fachverbands-Konjunkturumfrage verhalten optimistisch und rechnen für dieses Jahr mit einem Umsatzwachstum im niedrigen ein- und zweistelligen Bereich. Im vergangenen Jahr stieg der Produktionsumfang der drei Teilbranchen in Deutschland insgesamt wertmäßig um 19 Prozent, während allerdings die Hersteller von Hütten- und Walzwerksprodukten sowie von Thermoprozesstechnik die Volumina des Jahres 2019 übertreffen konnten, liegt die Produktion von Gießereimaschinen unter dem Volumen des Vorpandemie-Jahres. Im Vergleich zum Vorjahr konnte die Produktion von Hütten- und Walzwerkeinrichtungen um 34 Prozent auf schwacher Basis zulegen. Die Produktion von Thermoprozesstechnik übertraf zum ersten Mal nach 2018 wieder die 2-Milliarden-Marke und stieg auf 2,18 Milliarden Euro (plus 20 Prozent). Der Wert der hergestellten Gießereimaschinen lag hingegen um gut 5 Prozent niedriger als im Vorjahr (ca. 652 Millionen Euro).

Aktuelle Herausforderungen

Vor dem Hintergrund geopolitischer Verwerfungeen und hoher Inflation blieb der Exportzuwachs der Branchen des metallurgischen Anlagenbaus im ersten Quartal 2023 insgesamt verhalten. Die Branchentrends im Einzelnen bewegten sich in diesem Zeitraum jedoch in unterschiedliche Richtungen.

Die Exporte von Hütten- und Walzwerkstechnik bewegten sich mit einem Plus von 34 Prozent wieder auf das Vorkrisenniveau zu. Top-Zielmarkt war in diesem Zeitraum Indien. Bereits 2022 wurde aus Deutschland auf niedriger Vorjahresbasis weltweit knapp 15 Prozent mehr Hütten- und Walzwerkstechnik ausgeführt (628 Mio. Euro).

Die Thermprozesstechnik-Exporte konnten im ersten Quartal dieses Jahres wieder leicht auf 4 Prozent zulegen, nachdem 2022 der Vorjahreswert um 3 Prozent verfehlt worden war (1,67 Mrd. Euro). In diesem Zeitraum spielten die Exporte in die USA und China die Hauptrolle – mit gegenläufigen Trends (plus 33/minus 43 Prozent).

Bei den Gießereimaschinen-Exporten aus Deutschland zeichnete sich im ersten Quartal dieses Jahres noch keine Trendwende ab. Im Vorjahresvergleich gingen die Ausfuhren um ein Viertel zurück. Dieser Entwicklung liegen stark divergierende Markttrends zugrunde. Während Exporte in die Schweiz, das Vereinigte Königreich, nach Ungarn sowie außerhalb Europas nach China und Vietnam zulegten, waren Ausfuhren u. a. in wichtige Zielmärkte wie die USA und Österreich rückläufig. Wie im Vorjahr nahmen die EU-Länder weniger Gießereitechnik aus Deutschland ab. (2022 minus 5 Prozent).

Branchenerwartungen für 2023

Die Auftragseingänge der Gießereimaschinen-Hersteller entwickelten sich im 1. Quartal 2023 preisbereinigt (plus 5 Prozent) besser als der Maschinenbau-Durchschnitt. Bestellungen aus Nicht-Euroländern trugen wesentlich zu diesem Trend bei. In 2022 waren die Auftragseingänge auf einer unter Vorkrisenniveau liegenden Vorjahresbasis preisbereinigt um 11 Prozent zurückgegangen.

Die Gießereitechnik-Teilnehmer an der aktuellen Fachverbands-Konjunkturumfrage rechnen für das laufende Jahr mit einem Umsatzwachstum im mittleren einstelligen Bereich.

Mit einem Ergebnis von plus 1 Prozent im preisbereinigten Auftragseingang gehört die Thermoprozesstechnik im ersten Quartal dieses Jahres ebenfalls zu den überdurchschnittlich abschneidenden Branchen gemessen am Gesamtmaschinenbau. 2022 war bei den Orders mit einem Minus von 5 Prozent abgeschlossen worden. In der aktuellen Fachverbands-Konjunkturumfrage gehen die Teilnehmer aus der Thermprozesstechnik von einem Umsatzzuwachs von ca. 10 Prozent für das ganze Jahr 2023 aus. Laut Fachverbands Konjunkturumfrage erwarten die teilnehmenden Hersteller von Hütten- und Walzwerkseinrichtungen im laufenden Jahr Umsatzuwächse im niedrigen zweistelligen Bereich (ca. 15 Prozent). Die Auftragseingänge könnten jedoch auf niedrigem Niveau stagnieren, allerdings vor dem Hintergrund umfangreicher Auftragsbestände.

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Bestimmung des Restaustenitgehaltes

1 Einleitung

Nach dem martensitischen Härten (Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen) von Stählen mit höherem Gehalt an Kohlenstoff enthält das Gefüge meist sog. Restaustenit. Dieser Gefügebestandteil kann in der Anwendung teilweise zu Martensit/Bainit umgewandelt werden. Eine derartige Umwandlung ist mit Volumenvergrößerung und dadurch mit Maßveränderung verbunden. [1].

Für eine grobe Abschätzung der Maßänderungen durch Umwandlung von Restaustenit wurde eine Kugel, Durchmesser 80 mm, 100CrMnSi6-4, im Fertigzustand (geläppte Oberfläche) bei -40 °C tiefgekühlt und anschließend bei 200 °C 2 h angelassen (die ursprüngliche Anlaßtemperatur betrug 200 °C, die Kugel wurde ursprünglich nicht tiefgekühlt). Dabei ist die Kugel um ca. 6 μm im Durchmesser gewachsen, der Gehalt an Restaustenit ist um ca. 2 % gesunken. Die Messung des Restaustenitgehaltes im Ausgangszustand und nach dem Tiefkühlen und erneuten Anlassen wurde mit dem gleichen Gerät an der gleichen Stelle durchgeführt. Eine Durchmesseränderung von 6 μm bei einem Istmaß von 80 mm mag für viele Anwendungen unbedeutend sein, bei Wälzlagern kann diese Änderung schon der max. Toleranz entsprechen.

Da Wälzlagerkomponenten für eine hohe Überrollfestigkeit eine Härte von etwa 60 HRC aufweisen müssen [2], können die überwiegend eingesetzten niedriglegierten durchhärtenden Cr-Stähle (z. B. 100CrMnSi6-4, DIN EN ISO 683-17) nur niedrig angelassaen (typ. 170 °C -250 °C) werden. Wegen des relativ hohen Gehaltes an Kohlenstoff enthalten diese Stähle, je nach Anlaßtemperatur, Gehalte an Restaustenit bis ca. 15 %. Ein Tiefkühlen nach dem Abschrecken kann den Gehalt an Restaustenit merklich senken, wird aber aus Kostengründen nur selten angewendet. Der Wert von 15 % Restaustenit ist für viele Wälzlageranwendungen typisch, es existieren aber auch andere Grenzwerte für besondere Anwendungsfälle, z. B. 3 % für Wälzlagerkomponenten aus dem warmfesten Wälzlagerstahl Stahl M50 (AMS 6491) [3]. Tabelle 1 zeigt die nominelle chemische Zusammensetzung der im folgenden genannten Stähle. Es handelt sich dabei um Stähle, die in Wälzlageranwendungen Verwendung finden.

a) b)

Bild 1: Gefügebilder des Stahles M50, gehärtet bei 1080 °C, Nital-Ätzung, a) 1x angelassen bei 540 °C, Gehalt an Restaustenit ca. 11 %, b) 3x angelassen bei 540 °C, Gehalt an Restaustenit < 1 %

Generell muss bei der Wärmebehandlung von Wälzlagerkomponenten der Gehalt an Restaustenit bestimmt werden. Das kann stichpunktartig erfolgen, aber auch bei jedem Härtelos. Deshalb ist eine zuverlässige Bestimmung des Restaustenitgehaltes von Bedeutung. Nachfolgend werden Möglichkeiten zur Bestimmung des Gehaltes an Restaustenit beschrieben, der Schwerpunkt liegt auf der röntgenografischen Phasenanalyse.

2 Gefügeanalyse

Restaustenit wird beim Ätzen mit Nital-Säure kaum angegriffen und erscheint daher im Schliff hell. Dadurch lassen sich mittels Gefügeanalyse über den Gehalt an Restaustenit Abschätzungen treffen. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist allerdings recht gering und hängt stark von dem jeweiligen Stahl und der Wärmebehandlung sowie der angewendeten Ätzmethode ab. Zudem ist der Restaustenit räumlich verteilt und der Schliff nur ein Abbild in einer Ebene. Bild 1 zeigt Gefügebilder des für Triebwerkslagerkomponenten häufig eingesetzten durchhärtenden warmfesten Stahles M50 mit unterschiedlichen Gehalten an Restaustenit. Die im Bildtext angeführten Restaustenit-Gehalte wurden mit röntgenografischen Methoden gewonnen.

Der Unterschied zwischen beiden Bildern ist signifikant, die für den Stahl M50 typischen Karbidzeilen sind nur auf Bild 1b gut erkennbar. Im Falle des Stahles M50 sind im Schliff Gehalte an Restaustenit von unter 10 % erkennbar. Bild 2 zeigt Gefügebilder des warmfesten Einsatzstahles M50NiL (AMS 6278, vgl. [4]) in der aufgekohlten Randzone (C-Gehalt ca. 0,85 %). Dieser Stahl wird für Wälzlagerringe in Triebwerkslagern eingesetzt.

Bild 2

Gefügebilder des Stahles M50NiL, gehärtet bei 1070 °C, aufgekohlte Randzone, Nital-Ätzung, a) 1x angelassen bei 540 °C, Gehalt an Restaustenit 22 %, b) 2x angelassen bei 540 °C, Gehalt an Restaustenit 12 %, c) 4x angelassen bei 540 °C, Gehalt an Restaustenit 6 %

Auf Bild 2c) ist praktisch kein Restaustenit erkennbar, dennoch ergibt die röntgenografische Messung einen Gehalt von etwa 6 %. Diese Beispiele zeigen, daß eine optische Bestimmung des Gehaltes an Restaustenit im Schliff sehr unsicher ist und lediglich eine grobe Abschätzung darstellt.

3 Wirbelstromprüfung

Restaustenit ist nicht ferromagnetisch, daher sollten unterschiedliche Gehalte an RA mittels Wirbelstromprüfung erkannt werden können, da diese Prüfung auf Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität reagiert. Details zur Wirbelstromprüfung an Lagerstählen sind z. B. in [5, 6] zu finden. Bild 3 zeigt mittels Wirbelstrom- Mehrfrequenzprüfung gemessene Signale für Proben aus dem Wälzlagerstahl 100CrMnSi6-4 (DIN EN ISO 683-17) mit unterschiedlichen Gehalten an Restaustenit. Die angeführten Gehalte an Restaustenit wurden röntgenografisch ermittelt.

Bild 3

Wirbelstrom-Signalhöhen für gehärtete Proben aus dem Stahl 100CrMnSi6-4 mit unterschiedlichen Gehalten an Restaustenit (RA) und unterschiedlichen Prüffrequenzen, Kalibrierung mit Probe 0 % Restaustenit

Für Gehalte an Restaustenit bis 10 % steigen die Wirbelstromsignale mit steigendem Restaustenit-Gehalt deutlich, für noch höhere Gehalte an Restaustenit ändern sich die Signalhöhen kaum mehr oder gehen sogar zurück. Die Wirbelstromprüfung benötigt als vergleichende Prüfung immer Kalibrierproben und das Ergebnis wird von einer Vielzahl von Faktoren wie Härteverfahren, Stahlchargen etc. beeinflußt. Die Wirbelstromprüfung ist daher als Meßverfahren für konkrete Restaustenit-Gehalte nur bedingt geeignet. Anwendungen der Wirbelstromprüfung sind z. B. die Verwechslungsprüfung „Teile gehärtet oder nicht“.

4 Röntgenografische Phasenanalyse

Restaustenit und Martensit sind zwei kristalline Phasen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen. Trifft elektromagnetische Strahlung in einer Wellenlänge, die etwa den Gitterparametern dieser Strukturen entspricht, auf eine Probe, so entstehen Beugungserscheinungen, die eine Analyse dieser Phasen ermöglichen. Im Falle von Stahl läßt sich sich aus den relativen Beugungsintensitäten bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlen der Gehalt an Restaustenit bestimmen. Einzelheiten dazu sind z. B. in [7, 8] zu finden. Im Folgenden werden kurz die Grundlagen der Röntgenbeugung erläutert und anschließend die Bestimmung des Gehaltes an Restaustenit aus Beugungsmessungen beschrieben.

Trifft Röntgenstrahlung auf die zu untersuchende Probe, so kann diese Strahlung, ähnlich wie Licht, reflektiert werden. Dabei sind Einfall- und Ausfallwinkel gleich groß, ebenso die Wellenlängen von einfallender und reflektierter Strahlung. Die Beugung erfolgt an den Gitterpunkten der Netzebenenscharen der beteiligten Phasen. Bild 4 zeigt schematisch diesen Zusammenhang.

Bild 4

Beugung von Röntgenstrahlung an einem Kristallgitter, I₀: Intensität des einfallenden Strahles, I: Intensität des reflektierten Strahles, λ: Wellenlänge der Strahlung, ϑ: Einfallswinkel = Ausfallswinkel, d: Abstand der Gitterebenen, n_s: Normale zum Gitter

Der an der unteren Netzebene reflektierte Teilstrahl legt gegenüber dem an der Oberfläche reflektiertem Teilstrahl einen zusätzlichen Weg von 2dsinϑ zurück. Konstruktive Interferenz (Verstärkung) tritt auf, wenn dieser Wegunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, dieser Zusammenhang wird durch die Braggsche Gleichung beschrieben [7]:

Nur wenn Gleichung (1) erfüllt ist, kann unter dem Ausfallswinkel J eine deutliche Intensität beobachtet werden.

In der Realität tragen natürlich nicht nur die beiden obersten Netzebenen zu Beugungserscheinungen bei, sondern – je nach Eindringtiefe der Strahlung – noch viele weitere Ebenen, dadurch werden die Beugungsmuster erst deutlich, auch hierzu sei auf [7] verwiesen.

Für jede kristalline Phase existieren mehrere Gitterebenen, die Beugungseffekte, sog. Peaks, erzeugen. Die Lage dieser Ebenen wird durch drei Zahlen (xyz) charakterisiert. Nur dichtbesetzte Gitterebenen erzeugen Beugungsmuster, vgl. [7]. Für die Bestimmung des Gehaltes an Restaustenit werden meist zwei Martensit-Peaks und zwei Austenit-Peaks verwendet. Die Details dieser Messungen sind ausführlich in der Norm ASTM E 975 beschrieben [9], die Auswertung erfolgt mittels Software:

• Abzug des Untergrundes unter den Peaks

• Bestimmung der Fläche unter den Peaks – integrale Intensität

• Gewichtung der integralen Intensitäten mit den sog. R-Faktoren

• Berechnung der Verhältnisse der gewichteten Intensitäten der jeweiligen

• Austenit- und Ferrit-Peaks.

Bild 5 zeigt ein Beugungsmuster eines gehärteten und angelassenen Wälzlagerstahles. An den Meßstellen aller im folgenden gezeigten Beispiele wurde vor der Messung eine Materialschicht von ca. 0,1 mm elektrochemisch abgetragen, damit kein Einfluß von mechanischen Bearbeitungen auf den Gehalt an Restaustenit erfolgen kann.

Bild 5

Beugungsmuster einer Probe aus dem Stahl 100CrMnSi6-4, gehärtet und angelassen, ausgewertete Peaks der Gitterebenen α(200), α(211) und γ(220), g(311), Mo-Kα-Strahlung, Gehalt an Restaustenit ca. 13 %

Die Messungen wurden mit einem Gerät Typ AREX der Firma GNR mit Mo-Kα-Strahlung durchgeführt (nutzbarer Winkelbereich 2Θ: 22° – 44°).

Die Auswertung erfolgt gemäß den Forderungen der Vorschrift ASTM E 975.

Die Bestimmung des Gehaltes an Restaustenit mittels Röntgenbeugung ist das bei weitem genauste Verfahren. Es können aber auch bei diesem Verfahren Probleme auftreten, die die Genauigkeit deutlich einschränken oder im Extremfall eine Messung unmöglich machen können. Auf einige dieser Probleme wird nun eingegangen.

4.1 Probleme bei der röntgenografischen Phasenanalyse

Fremdphasen

Enthält eine Probe neben Martensit und Austenit noch weitere kristalline Phasen in merklichen Anteilen, so können im Beugungsmuster zusätzlichen Peaks auftreten. Diese Peaks überlagern die Martensit- und Austenitpeaks. Eine Bestimmung des Restaustenitgehaltes kann dadurch sogar unmöglich werden. Bild 6 zeigt ein Beugungsmuster des Stahles S18-0-6 (1.3355) mit zahlreichen Peaks, vermutlich Karbidpeaks. (Dieser Stahl wird neben dem Stahl M50 auch für Lagerkomponenten in Triebwerken eingesetzt.) Der „erkannte“ γ(220) Peak ist wahrscheinlich auch mit einem Fremd-Peak überlagert. Da dieser Stahl 3x bei 560 °C angelassen wurde, ist ein sehr niedriger Restaustenitgehalt zu erwarten. In solchen Fällen wäre eine Auswertung mit dem Rietveld-Verfahren [7] prinzipiell möglich, entsprechende Software steht allerdings im industriellen Umfeld meist nicht zur Verfügung, auch ist die Bestimmung eines Startmodells meist problematisch. Beim dem Stahl M50 treten im Beugungsmuster keine merklichen Fremd-Peaks auf, siehe Bild 7. Der Gehalt an Restaustenit ist praktisch 0 %, dieser Wert ist nicht ungewöhnlich, da 3x bei 545 °C angelassen wurde. Die Karbide können mengenmäßig berücksichtigt werden, die Vorschrift ASTM E 975 gibt dazu Hinweise. Die Auswertesoftware der Diffraktometer erlaubt meist eine Berücksichtigung der Karbidmenge (bei dem Stahl M50 beträgt die Karbidmenge nach eigenen Erfahrungen ca. 5 %).

Bild 6

Beugungsmuster einer Probe aus dem Stahl S18-0-1, gehärtet und angelassen, neben den α(200), α(211) sind zahlreiche weitere Peaks erkennbar, vermutlich Karbid-Peaks, keine Restaustenitbestimmung mit Standard-Auswerte-Software möglich, Mo-Kα-Strahlung

Bild 7

Beugungsmuster einer Probe aus dem Stahl M50, gehärtet und angelassen, nur α(200) und α(211) Peaks erkennbar, Gehalt an Restaustenit < 1 %, Mo-Kα-Strahlung

Textureffekte

Eine Voraussetzung bei der röntgenografischen Bestimmung von Restaustenit ist eine regellose Verteilung der Körner (ASTM E 975 [9], „1.2: The method applies to carbon and alloy steels with near random crystallografic orientations of both ferrite and austenite phases“). Es müssen in dem bestrahlten Bereich der Probe hinreichend viele Körner so orientiert sein, daß ausgeprägte Beugungsmuster entstehen, also genügend viele Gitterebenen senkrecht zur Einstrahlrichtung liegen. Bild 8 zeigt diesen Zusammenhang schematisch. Bei gehärteten Wälzlagerstählen ist meist eine Korngröße von 8 oder feiner gefordert, Das entspricht gem. der Norm ASTM E 112 [10] einem mittleren Korndurchmesser von 22,5 um oder kleiner. Bei einem Durchmesser der bestrahlten Fläche von meist 2 oder 4 mm ist die Erfüllung dieser Forderung typischerweise kein Problem.

Bild 8

Orientierung der Körner an der Oberfläche (schematisch), n: Normale zur Oberfläche, n_s: Normale zu einer Gitterebene, ψ: Einstrahlwinkel

Die Vorschrift ASTM E 975 fordert als Kriterium für die regellose Verteilung der Körner, also eine weitgehend texturfreie Struktur, daß keine Streuungen der Beugungsintensitäten von über 10 % bei den jeweiligen Phasenanteilen auftreten. Wird diese Forderung nicht erfüllt, ist eine Messung nicht zulässig. Solche Abweichungen können bei ausgeprägten Texturen (z. B. Walztexturen) auftreten, aber auch dann, wenn Anteile einzelner Phasen im untersuchten Werkstoff klein sind, z. B. Gehalte von Restaustenit von max. 3 % im warmfesten Stahl M50. Hier lassen sich Abweichungen von über 10 % für die Beugungsintensitäten einer Phase aufgrund von Meßunsicherheiten oft nicht vermeiden. Auf solche Effekte geht die Vorschrift ASTM E 975 leider nicht ein.

Kalibrierung

Die Kalibrierung, also die Feststellung der Abweichung eines Meßgerätes von einem Referenzwert (z. B. eines Normals), ist von großer Bedeutung für den Einsatz eines Meßgerätes. Bei der röntgenografischen Restaustenitbestimmung bestehen in diesem Zusammenhang erhebliche Probleme. Referenzproben (z. B. Normale, zertifizierte Referenzmaterialien) sind kaum verfügbar. Es wurden zwar in der Vergangenheit solche Proben z. B. aus Pulvern austenitischer und ferritischer Struktur hergestellt, siehe etwa [11], diese haben sich aber letztlich nicht bewährt, offensichtlich war eine homogene Materialstruktur nicht zuverlässig erreichbar. Vor einigen Jahren wurden dem Autor Referenzproben eines Diffraktometer-Herstellers zur Verfügung gestellt, die an diesen Proben gemessenen Werte wichen aber teilweise deutlich von den Sollwerten (Gehalt an RA 5 %, 10 %, 20 %) ab und wurden daraufhin wieder eingezogen. Die Norm ASTM E 975 stellt fest „6.2 Bias – No bias estimate is available because there is no independent value from retained austenite“. Es wird auf Rundtests verwiesen. Derartige Rundtests werden von größeren Firmen intern durchgeführt, die Ergebnisse meist nicht veröffentlicht. Im Folgenden wird über einen Rundtest zur Restaustenitbestimmung berichtet, an dem der Veranstalter und 4 externe Firmen teilgenommen haben.

Die Messungen wurden mit Geräten der Hersteller GNR AREX, Bruker D8 und Stresstech Xstress durchgeführt.

Je nach Gerät wurde entweder Mo-Kα-Strahlung oder Cr-Kα-Strahlung angewendet. Für diesen Test wurden 5 Proben hergestellt, 2 Proben aus dem Stahl M50 und 3 Proben aus dem Stahl 100CrMnSi6-4 (W4). Durch unterschiedliche Anlaßbehandlungen wurden verschiedene Gehalte an Restaustenit eingestellt. Die zu messende Stelle wurde an jeder Probe durch elektrochemisches anätzen vorbereitet. Dadurch war sichergestellt, daß jeder Teilnehmer an der gleichen Stelle die Messung durchführt. Nach Ende des Rundtestes (Dauer fast ein Jahr) wurden alle Proben nochmals mit dem Gerät des Veranstalters nachgemessen, merkliche Veränderungen des Gehaltes an Restaustenit waren nicht feststellbar. Bild 9 zeigt die Auswertung dieses Rundtests mit Absolutwerten des Gehaltes an Restaustenit, Bild 10 zeigt die jeweiligen Abweichungen vom Mittelwert aller Teilnehmer.

Bild 9

Ergebnis des Rundtests zur Bestimmung des Gehaltes an Restaustenit, rote Pfeile: Diese Werte wurden für die folgende Auswertung nicht berücksichtigt (da offensichtlich „Ausreisser“)

Bild 10

Ergebnisse des Rundtests dargestellt als Abweichungen vom Mittelwert aller Teilnehmer (ohne die markierten Werte aus Bild 9)

Bis zu Gehalten an Restaustenit von ca. 10 % sind die Ergebnisse aller Teilnehmer relativ ähnlich, bei höheren Gehalten (15 % Restaustenit sind, wie schon erwähnt, die bei Wälzlagerkomponenten durchaus typisch) treten teilweise erhebliche Unterschiede auf. Teilnehmer 4 mißt deutlich zu niedrig, Teilnehmer 5 zu hoch. In Ermangelung an entsprechenden Referenzproben lassen sich derartige Messprobleme nicht ohne Weiteres erkennen.

Nachfolgend wird eine Idee zur Herstellung von Referenzproben zur Restaustenitmessung beschrieben. Eine Schichtung von Folien aus sowohl ferritischem als auch austenitischem Materialien ergibt, festgelegt über Anzahl und Dicke solcher Folien, ein festes Verhältnis von Ferrit zu Austenit. Die Folien müssen hinreichend dünn sein, dann liegen im bestrahlten Bereich immer genug Folien beider Phasen. Bild 11 zeigt schematisch eine solche Anordnung.

Bild 11

Prinzipdarstellung der Messung an einer geschichteten Probe, D >> d₁, d₂

Zur Herstellung eines Referenzproben-Prototyps wurden Folien aus den Materialien 1.1274 (Ferrit) und 1.4310 (Austenit) verwendet, Dicke jeweils 0,03 mm. Die Folien wurden geglüht um Walztexturen weitgehend abzubauen.

Als Nachweis, daß keine Textur vorliegt, fordert die Vorschrift ASTM E 975, daß das Verhältnis von mindestens zwei Austenit- bzw. Ferrit-Peaks innerhalb festgelegter Grenzen liegt. Im Falle der Ferrit-Folien sollte dieses Verhältnis nach der Auswertesoftware zwischen 1,5 und 2,2 liegen, es liegt bei 1,3. Hier kann danach noch von einer weitgehenden Texturfreiheit ausgegangen werden. Im Falle der Austenitfolien ist der Sollbereich des Peak-Verhältnisses nach Auswertesoftware 0,8 – 1,3, das Peak-Verhältnis beträgt ca. 0,4, hier könnten schon Textureffekte vorliegen. Die Bilder 12 und 13 zeigen die Beugungsmuster dieser Werkstoffe. Die Probe aus dem Material 1.1274 zeigt nur Ferrit-Peaks, die Probe aus dem Material 1.4310 zeigt nur Austenit-Peaks (Bestrahlung der Folien-Oberflächen).

Bild 12

Beugungsmuster einer Folie aus dem Stahl 1.1274, geglüht, nur α(200) und α(211) Peaks erkennbar, Mo-Kα-Strahlung

Bild 13

Beugungsmuster einer Folie aus dem Stahl 1.4310, geglüht, nur γ(220) und γ(311) Peaks erkennbar, Mo-Kα-Strahlung

Nun wurde eine Schichtung aus ausschließlich Folien des Materiales1.4310 untersucht. Die Dicke des Folienstapels betrug ca. 2 mm, der Strahldurchmesser ca. 4 mm. Der Stapel wurde zwischen zwei Platten aus Kunststoff (POM) geklemmt. Die Bestrahlung erfolgte an den Schnittflächen, analog zu Bild 11. Bild 13 zeigt das Beugungsmuster. Es sind im Wesentlichen die beiden Austenitpeaks zu erkennen.

Bild 14

Beugungsmuster eines Folienstapels aus dem Stahl 1.4310, im Wesentlichen γ(220) und γ(311) Peaks erkennbar, Mo-Kα-Strahlung

Nun wurde eine Probe mit einer Schichtung der Materialien 1.1274 und 1.4310 hergestellt. Bild 15 zeigt ein Foto der Schichtung. Bild 16 zeigt das Beugungsmuster des Folienstapels aus Folien der Materialien 1.1274 und 1.4310. Die Abfolge der Folien war 4 × 1.1274 und 1 × 1.4310. Bei dieser Messung wurde das Verhältnis der Sichtung, 80 % Ferrit und 20 % Austenit nahezu genau bestimmt, bei erneuten Messungen wurden aber auch Werte von etwa 16 % Restaustenit bestimmt. Weiterführende Untersuchungen wären daher erforderlich, um solche Kalibrierproben zu fertigen.

Bild 15

Folienschichtung, geklemmt

Bild 16

Beugungsmuster eines Folienstapels aus Folien der Materialien 1.1274 (je 4 Folien) und 1.4310 (je 1 Folie), Ferrit- und Austenit-Peaks erkennbar, Gehalt an Restaustenit etwa 20 %

5 Zusammenfassung

Das zuverläßigste und genaueste Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an Restaustenit ist die röntgenografische Phasenanalyse. Verfahrenstypische Probleme der Röntgenografie sind Überlagerung der Ferrit- und Austenitpeaks mit Fremdpeaks (oft Karbidpeaks) und Textureffekte. In Einzelfällen kann eine Messung dadurch sogar unmöglich sein. Derartige Schwierigkeiten treten eher selten auf, aber die Nicht-Verfügbarkeit von Kalibrier-Standards kann zu erheblichen Abweichungen der Meßwerte führen. Erkennbar sind solche Abweichungen durch zeitintensive Rundtests. Kalibrierproben aufgebaut aus Schichtungen von Folien mit ferritischer und austenitischer Struktur könnten evtl. zum frühzeitigen Erkennen von merklichen Abweichungen bei der röntgenografischen Restaustenitbestimmung beitragen.

Oskar Beer

Präzisionskugeln Eltmann GmbH

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Forschungsprojekt zur Stärkung der Metallindustrie

Um die Nachhaltigkeit der Metallindustrie in Europa zu verbessern und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten, ist es z. B. wichtig, Mangan für die Stahl-, Aluminium-, Batterie und Automobilindustrie umweltfreundlich herzustellen.

Das von der EU geförderte Forschungsprojekt „Sustainable Hydrogen und Aluminothermic Reduction Process for Manganese, its alloys and Critical Raw Materials Production“ (Akronym HalMan) zielt darauf ab, ein nachhaltiges Verfahren zur Produktion von Mn und Mn-Legierungen aus Mn-Erzen und Mn-haltigen Abfällen zu entwickeln. Insgesamt 17 Projektpartner aus Forschung und Industrie sind an der Forschung beteiligt, u. a. das Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE).

Inserentenverzeichnis

Wie Mangan und Eisen in Lichtbogenöfen unter Verwendung von Wasserstoff reduziert werden können, erforscht Dr. Yan Ma am MPIE.

„Hier am MPIE beschäftigen wir uns mit der Reduktion von Manganerzen und manganhaltigen Abfällen mithilfe von Wasserstoff und sekundären Aluminiumquellen, um dadurch CO₂-Emissionen zu vermeiden. Wir werden die Kinetik des Vorreduktionsprozesses durch Wasserstoff analysieren, die Rolle der Mikrostruktur und der lokalen Chemie im Reduktionsprozess besser verstehen und die grundlegenden Mechanismen offenlegen, die die Effizienz der Reduktion bisher begrenzen. Wir freuen uns, eng mit anderen EU-Partnern zusammenzuarbeiten und innovative Technologien zu entwickeln, die die Metallindustrie nachhaltiger machen“, erklärt Dr. Yan Ma, Gruppenleiter am MPIE.

Nachdem die ideale Prozessroute festgelegt wurde, zielt das MPIE-Team auch darauf ab, zwei Hoch- und Mittelmanganstähle unter Verwendung des im Reduktionsprozess erzeugten Mangans herzustellen und ihre mechanischen Eigenschaften mit handelsüblichen Stählen zu vergleichen. Stähle mit höherem Mn-Gehalt sind vor allem für die Anwendung in niedrigen Temperaturbereichen, wie bei der Speicherung und dem Transport von Erdgas und Wasserstoff interessant. Stähle mit mittlerem Mn-Gehalt sind entscheidend für den Leichtbau beispielsweise in der Automobilindustrie. Die entwickelte Prozessroute wird in einer industriell relevanten betrieblichen Umgebung getestet, um sicherzustellen, dass die Prozessroute problemlos in der Industrie angewandt werden kann.

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Max-Planck-Str. 1

40237 Düsseldorf

Tel.: +49 211 6792 185

y.ma@mpie.de

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Faserlaser für zuverlässige Bearbeitung

Trumpf hat nach eigenen Angaben eine besonders vielfältige Baureihe von Faserlasern für Elektromotoren und Wasserstoffbrennzellen entwickelt, die auf der diesjährigen LASER-Messe in München vorgestellt wurde.

„Mit den neuen TruFiber P Faserlasern können Anwender Kernkomponenten von Elektroantrieben und Wasserstoffbrennzellen schnell und besonders zuverlässig fertigen“, sagt Mark Richmond, der verantwortliche Produktmanager für Faserlaser bei Trumpf.

Das Unternehmen bietet den TruFiber P jetzt auch in Low-Power-Ausführungen von 500 Watt bis 2000 Watt an, darunter Single-Mode-Varianten, und ergänzt so die Multi-Mode-Hochleistungsvarianten des Lasers. „Damit wird das Trumpf-Portfolio an Faserlasern noch breiter“, so Mark RIchmond. Bei jeder Variante kann der Anwender den Faserlaser mit der kompletten Lasersystemtechnik von Trumpf kombinieren. Dazu gehören programmierbare Fokussieroptiken oder Lösungen zur Zustandsüberwachung. Der bis zu zehn Meter lange Single-Mode-Faserlaser ermögicht eine flexiblere Präzisionsfertigung, da sich die Strahlquelle nicht direkt neben der Laserzelle befinden muss.

Faserlaser schweißt Kernkomponenten von Brennstoffzellen

Die Hersteller müssen die Kernkomponenten von Brennstoffzellen, hauchdünne Bipolarplatten aus Edelstahl, äußerst präzise und hermetisch dicht schweißen. Wasserstoff darf auf keinen Fall entweichen, sonst wäre die gesamte Brennstoffzelle unbrauchbar. Laut Trumpf bietet der Single-Mode-Faserlaser mit einem Faserkerndurchmesser von nur 25 Mikrometern dieses geforderte Maß an Präzision durch die hohe Strahlqualität im Single-Mode-Betrieb.

Faserlaser schweißt Kupferverbindungen von Elektromotoren

Hersteller von Elektroantrieben profitieren laut Trumpf beim TruFiber P auch von der neuen zusätzlichen Strahlformungstechnologie Bright-Line Mode, mit der der Faserlaser Kupfer spritzerfrei schweißen kann. Der TruFiber P bietet eine konstant hohe Qualität z. B. beim Schweißen der Kupfer-Hairpins von Elektromotoren und spart Material, da der Ausschuss minimal ausfällt.

Der Faserlaser kann auch Baustahl, Edelstahl und Aluminium zuverlässig und spritzerfrei schweißen und erzielt nach Herstellerangaben eine herausragende Schweißnahtqualität.

TRUMPF SE + Co

Johann-Maus-Str. 2

71254 Ditzingen

Tel.: +49 7156 30331559

Gabriel.Pankow@trumpf.com

www.trumpf.com