Prüfungen und Testverfahren für Formenwerkstoffe

Die Prüfungen und Tests für Formenwerkstoffe können im Großen und Ganzen in zwei Kategorien unterteilt werden: Eine Kategorie umfasst die Gefügeprüfungen, darunter Makrogefügeprüfungen, Mikrogefügeprüfungen, Kornfeinheits-Prüfungen usw.; die andere Kategorie sind die Werkstoffprüfungen oder auch mechanische Tests, wie Härteprüfungen, Zugtests, Verschleißtests usw.

1. Chemische Zusammensetzung

Die JIS-Normen enthalten zwei Bestimmungen für die Prüfung der chemischen Zusammensetzung: Die Analysenmethode für Stahlschmelze (JIS G0320)(6) und die Analysenmethode für Stahlprodukte und ihre zulässigen Abweichungen (JIS G0321)(7). Die Analysenmethode für Stahlschmelze besteht darin, die noch nicht erstarrte Stahlschmelze zu analysieren, nachdem sie aus dem Stahlgießer in die Stahlgußform gegossen wurde. Die Ergebnisse der Stahlschmelzeanalyse, die in der Herstellerbescheinigung (Lieferzeugnis oder Prüfzeugnis) von Stahlprodukten aufgeführt sind, entsprechen diesen Werten. Für jede Schmeltzung wird ein Analysebericht erstellt, der die durchschnittliche chemische Zusammensetzung der Stahlschmelze derselben Schmeltzung wiedergibt. Die Proben für die Kleinanalyse werden nach der Entnahme und Erstarrung mithilfe von Röntgenfluoreszenzanalyse und anderen Methoden analysiert.

Die Analysenmethode für Stahlprodukte besteht darin, Proben zu analysieren, die aus Walz- oder Schmiedeprodukten abgeschnitten wurden. Die Analysewerte der Produkte können aufgrund von Segregation von den Werten der Stahlschmelzeanalyse abweichen. Darüber hinaus können auch Unterschiede zwischen den Analyseproben auftreten. Daher hat die Stahlnorm Bestimmungen für die Wertebereiche festgelegt, die über die oberen und unteren Grenzwerte der Stahlschmelzeanalyse hinausgehen.

2. Gefügeprüfungen

1). Makrogefügeprüfung (JIS G 0553)

Bei dieser Methode werden Proben aus der Querschnittsebene des Stahlwerksstoffs abgeschnitten, gelötet und anschließend mit Salzsäure, Kupfer(II)-ammoniumchlorid, Salpetersäure-Alkohol, wässriger Salpetersäure usw. angeätzt. Dann werden Gefügefehler wie Dendritstruktur, Stahlgußmuster, Mittelsegregation, Porosität, Pitting, Blasen, Einschlüsse usw. mit bloßem Auge beurteilt. Die Rauheitswert der zu beobachtenden Fläche sollte normalerweise im Bereich von Ra30~3.5μm liegen (arithmetischer Mittelwert der Profiltiefe gemäß JIS B 0601).

2). Bruchflächenuntersuchung

In den JIS-Normen ist keine entsprechende Bestimmung vorhanden. Bei dieser Methode wird an der Zielstelle eine Kerbe eingebracht und das Material dann erzwungenermaßen zerbrochen, und die Untersuchung erfolgt mit bloßem Auge. Anhand der Textur der Bruchfläche kann der Ausgangspunkt und die Richtung der Bruchbildung geschätzt werden, und die Kornfeinheit und die Einschlüsse können beurteilt werden.

Es gibt auch eine andere Methode zur Untersuchung der Bruchfläche, nämlich die Methode mit dem Rasterelektronenmikroskop (Scanning Electron Microscope, SEM). Diese Methode wird nicht im Herstellungsprozess von Werkstoffen eingesetzt. Hier wird sie kurz als Referenz vorgestellt. Bei der SEM-Methode wird die zu untersuchende Probe in das Elektronenmikroskop gelegt und mit einem Elektronenstrahl gescannt. Anschließend werden die dabei emittierten Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen analysiert. Auf diese Weise können die unebenen Bruchflächen deutlich beobachtet werden.

3). Mikrogefügeuntersuchung

In den JIS-Normen ist keine entsprechende Bestimmung für die Mikrogefügeuntersuchung vorhanden. Bei dieser Methode werden Lichtmikroskope und Elektronenmikroskope eingesetzt. Proben werden an der Zielstelle abgeschnitten und können, wenn erforderlich, in eine Harz-Halterung eingebettet werden. Anschließend werden sie gelötet, und wenn die Oberfläche etwa auf 1000# geschliffen ist, wird mit feinen Schleifmitteln wie Diamantpaste poliert. Danach wird die Probe mit verschiedenen Ätzlösungen, die je nach Stahlart gewählt werden, angeätzt, um das Mikrogefüge sichtbar zu machen. Für Formenstähle können Salpetersäure-Alkohol-Lösung und Pikrinsäure-Alkohol-Lösung verwendet werden.

Normalerweise werden Lichtmikroskope eingesetzt, und die Untersuchung erfolgt im Bereich von etwa 100-facher Vergrößerung bis maximal 1000-facher Vergrößerung.

4). Mikroskopische Prüfungsmethode für nichtmetallische Einschlüsse (JIS G 0555)

Das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen im Stahl ist unvermeidlich. Allerdings kann eine zu große Größe oder Anzahl der Einschlüsse die mechanischen Eigenschaften und die Spiegelqualität reduzieren. Der Grad der Reduzierung der Einschlüsse wird als Reinheit bezeichnet.

Bei dieser Methode werden die nichtmetallischen Einschlüsse in Walz- oder Schmiedeprodukten mit einem Schmiedeverhältnis von 3 oder höher mithilfe eines Mikroskops und unter Vergleich mit Standardbildern gemessen. Als Bewertungsindikatoren für die Einschlüsse gibt es die Klassifizierung der Verteilungsform der Einschlüsse mithilfe von Diagramm-Indizes und die Bewertung der Dicke der Einschlüsse, die in dünne und dicke Serien unterteilt ist.

5). Mikroskopische Messung der Kornfeinheit (JIS G 0551)

Dies ist eine mikroskopische Prüfungsmethode zur Messung der Kornfeinheit von Ferrit oder Austenit im Stahl. Die Kornfeinheit von Ferrit ist für Kohlenstoffstähle mit w(C)<0.25% oder ferritischerostfreie Stähle geeignet.

Die Kornfeinheit von Austenit ist die Größe der Kristallringe, die sich bei Erwärmung über Ac3, Ac1 oder Am zeigen. Normalerweise wird das Gefüge mit einer Ätzlösung sichtbar gemacht, und dann wird die Kornfeinheit unter Vergleich mit Standardbildern oder mithilfe eines Maßschiebers, der an das Okular eines Lichtmikroskops befestigt ist, gemessen. Stähle mit einer Kornklasse von 5 oder höher gelten als feinkörnige Stähle, während Stähle mit einer Kornklasse unter 5 als grobkörnige Stähle bezeichnet werden. Mischkorn bedeutet, dass in einem in dem selben Sichtfeld Kristalle vorliegen, deren Kornklasse von der vorherrschenden Kornklasse um mehr als 3 Klassen abweicht und die mehr als 20% der Fläche einnehmen, oder wenn der Kornklassenunterschied zwischen verschiedenen Sichtfeldern mehr als 3 Klassen beträgt.

Es gibt auch andere Methoden, die die Anzahl der Kristalle oder die Anzahl der Schnittpunkte mit den Kristallen verwenden, die von geraden oder kurvenförmigen Testlinien durchschritten oder erfasst werden.

6). Andere Methoden

In den Bestimmungen zu Formenwerkstoffen gibt es auch Vorschriften wie die Makroprüfungsmethode für Oberflächenschäden (JIS G 0556) und die Messung der Tiefe der Entkohlungsschicht (JIS G 0558).