Prüfmethoden für Gussteile: Sichtprüfung, Dimensionsprüfung, zerstörungsfreie Prüfung und Materialprüfung

Die Gussprüfung ist keine einmalige Prüfung, die am Ende der Produktion durchgeführt wird.

Ein fertiges Gussteil kann die richtige Form, aber die falsche Legierung aufweisen, eine gute chemische Zusammensetzung, aber inneren Schwindung aufweisen oder aus einwandfreiem Metall bestehen, aber eine kritische Bohrung außerhalb der Toleranz haben. Jedes dieser Probleme erfordert eine andere Prüfmethode.

Der praktische Ansatz besteht darin, zunächst festzulegen, was überprüft werden muss, und anschließend die Methode auszuwählen, die dies tatsächlich messen oder aufdecken kann. Dieser Leitfaden erläutert die wichtigsten Gussprüfmethoden und ihre jeweiligen Anwendungsbereiche.

Was die Gussinspektion umfasst

Die Qualität von Gussteilen wird üblicherweise auf verschiedene Weisen beurteilt.

Eine Sichtprüfung beurteilt die sichtbare Oberfläche. Die Maßprüfung stellt sicher, dass das Bauteil der Zeichnung entspricht. Chemische und mechanische Prüfungen bestätigen die Materialeigenschaften. Zerstörungsfreie Prüfverfahren suchen nach Oberflächen- oder inneren Fehlern, die bei einer herkömmlichen Prüfung nicht erkennbar sind. Druck- oder Dichtheitsprüfungen überprüfen, ob ein Bauteil tatsächlich die erforderliche Flüssigkeit oder das erforderliche Gas enthält.

Die Norm ASTM A1062, die die Anforderungen an die Probenahme von Stahlgussteilen regelt, spiegelt diese umfassende Sichtweise der Prüfung wider. Sie umfasst Maß-, Bearbeitungs-, Sicht-, Magnetpulver-, Eindring-, Röntgen-, Ultraschall- und Dichtheitsprüfungen als separate Prüfkategorien.

Diese Unterscheidung ist wichtig, denn das Bestehen eines Tests sagt nichts über Bereiche aus, die in dem Test nicht bewertet werden.

Ein gutes Spektrometerergebnis kann nicht beweisen, dass ein Gussteil keine Lunker aufweist. Ein sauberes Röntgenbild beweist nicht, dass sich eine Befestigungsbohrung an der richtigen Stelle befindet.

Gussprüfmethoden: Schneller Vergleich

Keine einzelne Zeile ersetzt die anderen. Der Inspektionsplan hängt davon ab, was zum Ausfall des Bauteils führen kann.

Sichtprüfung des Gussoberflächenzustands

Die erste Untersuchung erfolgt in der Regel durch eine Sichtprüfung, da viele Gussfehler bereits sichtbar sind.

Ein Prüfer kann unvollständige Füllung, Grate, übermäßigen Grat, offensichtliche Risse, anhaftendes Formmaterial, Schleifschäden, Oberflächenrauheit und andere Verarbeitungsfehler erkennen, bevor teurere Prüfungen durchgeführt werden.

Die Steel Founders' Society of America (SFSA) zählt die Sichtprüfung zu den wichtigsten Methoden zur Beurteilung der Gussoberflächenintegrität und weist darauf hin, dass vereinbarte Sichtprüfungsstandards zur Unterscheidung zwischen akzeptablen und nicht akzeptablen Oberflächenzuständen herangezogen werden können. (SFSA-Leitfaden für zerstörungsfreie Prüfverfahren)

Eine Sichtprüfung funktioniert am besten, wenn die Oberfläche sauber ist, die Beleuchtung kontrolliert ist und die Akzeptanzkriterien definiert sind.

Es ist kostengünstig und während der gesamten Produktion nützlich, kann aber nur das beurteilen, was mit bloßem Auge sichtbar ist. Ein Gussteil kann äußerlich einwandfrei aussehen, obwohl es innere Schrumpfung oder Gasporosität aufweist.

Die Mechanismen, die diese Defekte verursachen, finden Sie in unserem Leitfaden zu Fehlern beim Feinguss.

Dimensionsprüfung mit Lehren und Koordinatenmessgerät

Die Dimensionsprüfung beantwortet eine andere Frage:

Stimmt das Gussteil mit der Zeichnung überein?

Einfache Abmessungen können mit Messschiebern, Mikrometern, Lehren, Vorrichtungen, Höhenmessgeräten und anderen herkömmlichen Instrumenten überprüft werden.

Eine Koordinatenmessmaschine (KMM) ist dann von Nutzen, wenn das Bauteil mehrere Bezugspunkte, Lochpositionen, Profile, geometrische Toleranzen oder dreidimensionale Beziehungen aufweist, die manuell nur schwer zu überprüfen sind.

Für die Fertigung ist nicht jede Abmessung an jedem Teil zwingend mit einem Koordinatenmessgerät (KMG) zu messen. Kritische Merkmale lassen sich aus der Zeichnung ablesen, während für einfachere Abmessungen Lehren oder Stichprobenpläne verwendet werden können.

Die Erstmusterprüfung ist besonders wichtig nach der Anschaffung neuer Werkzeuge oder nach einer wesentlichen Prozessänderung. ASTM A1062 sieht die Maßprüfung ausdrücklich als Teil der Mustergussfreigabe vor der Serienproduktion der entsprechenden Stahlgussteile vor.

Die Maßprüfung sollte im entsprechenden Fertigungsstadium erfolgen. Die Abmessungen eines Rohgussteils und eines fertig CNC-bearbeiteten Teils sind nicht identisch.

Unser Leitfaden zu Toleranzen beim Feinguss erklärt, wie die Maße im Gusszustand, nach dem Richten und nach der Bearbeitung zu unterscheiden sind.

Prüfung der chemischen Zusammensetzung, Härte und mechanischen Eigenschaften

Ein Gussteil kann eine perfekte Geometrie aufweisen und dennoch unbrauchbar sein, wenn das Material ungeeignet ist.

Analyse der chemischen Zusammensetzung

Eine chemische Analyse prüft, ob die Legierungszusammensetzung der vorgegebenen Güteklasse entspricht.

Dies ist besonders wichtig, wenn eine Gießerei mehrere Stähle, Edelstähle oder andere Legierungen mit ähnlichem Aussehen verarbeitet. Chemische Analysen liefern den Nachweis, dass das richtige Material geschmolzen wurde, anstatt sich auf eine visuelle Identifizierung zu verlassen.

Die erforderlichen Elemente und zulässigen Bereiche sollten der entsprechenden Materialspezifikation entnommen werden.

Härteprüfung

Härteprüfungen sind schnell und nützlich, um zu überprüfen, ob ein Gussteil innerhalb eines vorgegebenen Härtebereichs liegt.

Es kann auch eine praktische Überprüfung des Wärmebehandlungszustands ermöglichen. Ein vergüteter Stahl oder ein wärmebehandeltes Gussteil, das nicht den erwarteten Härtebereich aufweist, bedarf weiterer Untersuchungen.

Härtemessungen ersetzen weder Zugversuche noch metallurgische Untersuchungen. Zwei Werkstoffe können eine ähnliche Härte aufweisen, sich aber in Zähigkeit, Dehnung oder Mikrostruktur unterscheiden.

Zugprüfung

Zugversuche messen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung einer Probe.

Im Gegensatz zur CMM-Prüfung oder Röntgenprüfung wird die Probe bei Zugversuchen verbraucht oder dauerhaft verformt. Daher ist eine abgestimmte Stichproben- oder Coupon-Strategie erforderlich, anstatt einfach jedes fertige Bauteil zu prüfen.

Casting Source fasst die chemische Zusammensetzung und mechanische Prüfungen zusammen mit Maßgenauigkeit, Gussoberflächenbeschaffenheit und Unversehrtheit als eigenständige Kategorien der Gussqualitätsprüfung.

Die erforderlichen Prüfungen sollten sich an der Materialspezifikation orientieren und nicht automatisch das gleiche mechanische Prüfpaket auf jedes Gussteil anwenden.

Eindringprüfung mit Flüssigkeit vs. Magnetpulverprüfung

PT und MT werden oft zusammen diskutiert, da beide zur Erkennung von Diskontinuitäten nahe der Oberfläche eingesetzt werden, ihre Materialgrenzen jedoch unterschiedlich sind.

Flüssigkeitspenetrationsprüfung

Die Eindringprüfung mit Flüssigkeiten funktioniert, indem ein niedrigviskoses Eindringmittel in zur Oberfläche offene Fehlstellen eindringen kann.

Nachdem überschüssiges Eindringmittel entfernt wurde, zieht der Entwickler das eingeschlossene Eindringmittel wieder heraus und macht die Anzeige sichtbar. Bei der Fluoreszenz-Eindringprüfung (FPI) wird fluoreszierendes Material verwendet, das unter geeigneter ultravioletter Beleuchtung betrachtet wird.

ASTM E165 besagt, dass die Eindringprüfung für nichtporöse Eisen- und Nichteisenwerkstoffe anwendbar ist und oberflächennahe Fehlstellen wie Risse, Nähte, Überlappungen, Kaltverbindungen und bestimmte Formen oberflächennaher Porosität aufdecken kann. (ASTM E165 – Eindringprüfung mit Flüssigkeit)

Die Einschränkung ist ebenso klar: PT findet nur Diskontinuitäten, die bis zur Oberfläche reichen.

Ein innerer Schrumpfungshohlraum ohne Oberflächenöffnung bleibt unsichtbar.

Magnetpulverprüfung

Bei der Magnetpulverprüfung wird das Gussteil magnetisiert und mithilfe von Magnetpartikeln werden Leckfelder sichtbar gemacht, die durch Fehlstellen entstehen.

ASTM E709 beschreibt die Magnetpulverprüfung als ein Verfahren zur Erkennung von Oberflächen- und oberflächennahen Fehlstellen in ferromagnetischen Werkstoffen. Die Erkennung hängt auch von der Richtung des Magnetfelds relativ zum Defekt ab. (ASTM E709 – Magnetpulverprüfung)

Dadurch eignet sich MT für geeignete Kohlenstoffstähle, legierte Stähle, martensitische Edelstähle und andere ferromagnetische Gussteile.

Es ist nicht die übliche Wahl für Aluminium, Kupferlegierungen oder austenitische Edelstähle.

Bei diesen Werkstoffen ist die Eindringprüfung in der Regel die relevantere Methode zur Untersuchung von Oberflächenrissen.

Radiografische vs. Ultraschallprüfung auf interne Diskontinuitäten

Wenn das Problem im Inneren des Gussteils liegt, gewinnen Röntgen- und Ultraschallprüfungen an Bedeutung.

Es handelt sich in beiden Fällen um volumetrische Prüfverfahren, aber sie betrachten das Gussteil nicht auf die gleiche Weise.

Radiografische Prüfung und Röntgeninspektion

Bei der Radiographie werden Röntgenstrahlen oder Gammastrahlung durch das Gussteil geleitet und Unterschiede in der Strahlungsabsorption aufgezeichnet.

Änderungen der Materialdicke oder -dichte können innere Diskontinuitäten wie Gasporosität, Schrumpfungshohlräume und nichtmetallische Einschlüsse aufdecken.

Die Norm ASTM E1742/E1742M legt die grundlegenden Anforderungen für die Röntgenprüfung fest. Sie regelt jedoch ausdrücklich das Prüfverfahren und die Bildqualität – nicht aber die Akzeptanzkriterien für das Gussteil selbst. (ASTM E1742/E1742M – Röntgenprüfung)

Für Stahlgussteile bis zu einer Dicke von 50,8 mm (2 Zoll) liefert ASTM E446 Referenzradiografien, die Kategorien und Schweregrade für Gasporosität, Sand- und Schlackeneinschlüsse, Lunker, Risse, Heißrisse und andere Fehlstellen aufzeigen. Käufer und Lieferant können vereinbarte Referenzwerte als Teil der Abnahmekriterien verwenden. (ASTM E446 – Referenzradiografien für Stahlgussteile)

Die Radiographie ist besonders intuitiv für die Darstellung von Volumendefekten, jedoch beeinflussen Defektorientierung, Schichtdicke, Geometrie, Bildqualität und Interpretation nach wie vor, was sichtbar ist.

Ultraschallprüfung

UT sendet hochfrequente Schallwellen in das Gussteil und wertet die von inneren Grenzflächen oder Diskontinuitäten zurückkehrenden Echos aus.

Es kann nützlich sein für interne Reflektoren und Wanddickenmessungen ohne ionisierende Strahlung.

Für wärmebehandelte Gussteile aus Kohlenstoffstahl, niedriglegiertem Stahl und martensitischem Edelstahl beschreibt die Norm ASTM A609/A609M spezifische Prüfverfahren mittels Impuls-Echo-Ultraschall. Die Norm stellt außerdem einen wichtigen Punkt klar: Ultraschallprüfung und Radiographie ergänzen sich und sind nicht direkt austauschbar. (ASTM A609/A609M – Ultraschallprüfung von Stahlgussteilen)

Die Geometrie des Gussteils, raue Oberflächen, Kornstruktur, Dämpfung und Zugänglichkeit können die Ultraschallprüfung bei manchen Teilen erleichtern und bei anderen deutlich erschweren.

Die Wahl zwischen RT und UT ergibt sich daher aus der zu erwartenden Fehlerart, der Legierung, der Wandstärke, der Geometrie und den geltenden Spezifikationen – und nicht aus der Annahme, dass eine Methode generell fortschrittlicher sei.

Wenn eine zweidimensionale Röntgenaufnahme schwer zu interpretieren ist – beispielsweise bei komplexen inneren Kanälen oder eng beieinanderliegenden Strukturen – kann die Computertomographie (CT) eine vollständige dreidimensionale Ansicht der inneren Struktur des Gussteils rekonstruieren. Aufgrund der Kosten und der Größenbeschränkungen wird die CT in der Regel für höherwertige oder Entwicklungsteile eingesetzt.

Druck- und Dichtheitsprüfung für druckführende Gussteile

Ein Ventilkörper oder ein Pumpengehäuse kann die Sichtprüfung, die Maßprüfung, die chemische Analyse und sogar die zerstörungsfreie Prüfung bestehen, aber es muss dennoch eine weitere Frage beantwortet werden:

Ist es undicht?

Druck- und Dichtheitsprüfungen bewerten die Funktionssicherheit von druckführenden Gussteilen.

Je nach Bauteil und Spezifikation kann das Prüfmedium flüssig oder gasförmig sein, und die Anforderung definiert Druck, Haltezeit, zulässige Leckage und Prüfbedingungen.

Dichtheitsprüfungen identifizieren nicht zwangsläufig den genauen Defekt, der die Leckage verursacht hat. Sie bestätigen lediglich, ob das Bauteil seine Dichtungsfunktion im Rahmen der vorgegebenen Prüfung erfüllt.

Damit ergänzt es die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP).

Röntgenaufnahmen können einen internen Hinweis zeigen, ohne jedoch ein Leck nachzuweisen. Eine Druckprüfung kann ein Leck aufdecken, ohne die interne Unterbrechung, die den Leckagepfad verursacht hat, vollständig zu charakterisieren.

Wie man eine Gussinspektionsmethode auswählt

Am einfachsten ist es, mit der Fehlerursache zu beginnen, anstatt mit einer Liste der verfügbaren Ausrüstung.

Material kann einige Optionen sofort ausschließen.

Die Magnetpulverprüfung erfordert ein ferromagnetisches Material. Die Eindringprüfung setzt eine saubere, porenfreie Oberfläche voraus. Die Ultraschallprüfung gestaltet sich schwierig, wenn die Gussgeometrie oder die Materialstruktur eine zu starke Signaldämpfung verursachen.

Die Komponentenfunktion bestimmt dann, wie umfangreich eine Inspektion gerechtfertigt ist.

Eine dekorative Halterung und ein druckführendes Ventilgehäuse sollten nicht automatisch denselben NDT-Plan erhalten.

Erstmusterprüfung, Stichprobenprüfung und 100%-Inspektion

Der Inspektionsumfang ist von der Inspektionsmethode zu trennen.

Ein Kunde kann eine Erstmusterprüfung, eine statistische Stichprobenprüfung, eine chargenbasierte Prüfung oder eine 100%-Prüfung einer definierten Eigenschaft verlangen.

Die Erststückprüfung ist insbesondere nach der Herstellung neuer Werkzeuge von großem Wert, da sie bestätigt, dass der eigentliche Gieß- und Bearbeitungsprozess die beabsichtigte Geometrie erzeugt, bevor eine große Charge freigegeben wird.

Die Stichprobenentnahme in der Produktion funktioniert gut, wenn der Prozess stabil ist und die entsprechende Spezifikation eine chargenbasierte Überprüfung zulässt.

Bestimmte Anforderungen rechtfertigen die Prüfung nach 100%. Eine kritische Anforderung hinsichtlich Oberflächenrissen, ein serienmäßig gefertigtes Luft- und Raumfahrtbauteil oder ein druckbeaufschlagtes Bauteil kann die Prüfung jedes einzelnen Teils mit einem festgelegten Verfahren erforderlich machen.

Andere Prüfungen lassen sich nicht sinnvoll an jedem fertigen Bauteil durchführen. Zugversuche zerstören die Probe, daher definieren Materialspezifikationen üblicherweise Prüfcoupons oder Stichproben, anstatt jedes Gussteil zu opfern.

ASTM A1062 verdeutlicht diesen Unterschied, indem es die Prüfung von Gussproben als einen vereinbarten Satz von Anforderungen an Maße, Sichtprüfung, zerstörungsfreie Prüfung (ZfP), Bearbeitung und Dichtheitsprüfung vor der vollständigen Produktion behandelt.

Der Inspektionsplan sollte daher beides definieren:

Methode + Abdeckung

nicht nur der Name des Tests.

Abnahmekriterien und Gussprüfnormen

Einen Hinweis zu finden und ein Casting abzulehnen, sind nicht dasselbe.

Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) liefert Hinweise. Die Zeichnung, die Materialspezifikation, die Referenznorm oder die vereinbarten Abnahmekriterien legen fest, ob diese Hinweise akzeptabel sind.

Die SFSA stellt dies ausdrücklich fest: Zerstörungsfreie Prüfverfahren können mögliche Abweichungen aufdecken, die Ergebnisse müssen jedoch weiterhin anhand der vom Käufer gewählten Normen oder Anforderungen bewertet werden. (SFSA-Leitfaden für zerstörungsfreie Prüfverfahren)

Dies ist insbesondere bei der Radiographie von Bedeutung.

ASTM E1742 regelt die Durchführung von Röntgenprüfungen, legt aber nicht fest, welcher Schweregrad für den Käufer akzeptabel ist. ASTM E446 hingegen liefert Referenzröntgenbilder, anhand derer Käufer und Lieferant sich auf Fehlerkategorien und Schweregrade für die jeweiligen Stahlgussteile einigen können.

Eine sinnvolle Prüfanforderung legt daher mehr fest als:

Röntgenaufnahme erforderlich.

Darin sollten der anwendbare Standard, der Prüfbereich bzw. die Prüfabdeckung, das Akzeptanzniveau, die Stichprobenhäufigkeit und die Berichtsanforderungen angegeben werden.

Eine übermäßige Spezifizierung der Prüfverfahren verursacht zusätzliche Kosten, ohne die Funktion des Bauteils zwangsläufig zu verbessern. Die SFSA warnt ausdrücklich davor, dass die Festlegung eines höheren Qualitätsniveaus als im Design gefordert zu höheren Preisen und längeren Lieferzeiten führen kann, ohne die Leistung sinnvoll zu steigern. (SFSA-Leitfaden für zerstörungsfreie Prüfverfahren)

Gussprüfung und Qualitätskontrolle bei YTD

Bei YTD werden die Prüfanforderungen anhand der Zeichnung und der Anwendung überprüft, anstatt für jedes Gussteil das gleiche Prüfpaket anzuwenden.

Für geeignete Projekte bieten wir chemische Zusammensetzungsanalysen, Härte- und Zugprüfungen, Dimensionsprüfungen mit Koordinatenmessgeräten, Fluoreszenz-Eindringprüfungen, Röntgenprüfungen, Ultraschallprüfungen und Salzsprühnebelprüfungen gemäß den vereinbarten Projektanforderungen an. Berichte über die im Auftrag definierten Prüfungen können ebenfalls bereitgestellt werden.YTD Gussqualitätskontrolle und -prüfung)

Die Inspektion beginnt bereits vor dem fertigen Gussteil. In unserem Feingussverfahren werden Wachsmodelle vor dem Zusammenbau des Gießbaums geprüft, und Gießsimulationen können während der Werkzeug- und Prozessentwicklung eingesetzt werden, um Füll- und Erstarrungsrisiken vor der Produktion zu minimieren.

Das ist der Unterschied zwischen Qualitätskontrolle und Endkontrolle.

Die Inspektion zeigt uns, ob die vereinbarte Anforderung erfüllt wurde. Die Prozesskontrolle bietet dem Guss die besten Voraussetzungen, diese Anforderung dauerhaft zu erfüllen.

Schlussbetrachtung

Die Gussprüfung funktioniert am besten, wenn jeder Methode eine spezifische Frage zugeordnet wird.

Visuelle und dimensionale Prüfungen bestätigen die Oberflächenbeschaffenheit und Geometrie. Chemische und mechanische Prüfungen bestätigen die Materialeigenschaften. Eindringprüfung (PT) und Magnetpulverprüfung (MT) decken oberflächenbedingte Fehlstellen auf, während Radiographie und Ultraschallprüfung (UT) die innere Integrität untersuchen. Dichtheitsprüfungen bestätigen die Druckbeständigkeit.

Der effektivste Inspektionsplan definiert Risiko, Methode, Abdeckung und Akzeptanzkriterien vor Produktionsbeginn – anstatt nach der Herstellung des Gussteils alle verfügbaren Tests hinzuzufügen.