Die steigenden Anforderungen an technische Werkstoffe und die hohe Lebenserwartung von Produkten spielen bei Materialprüfungen in Produktentwicklung und Qualitätssicherung eine immer wichtigere Rolle. Eine der genauesten Prüfungen zur Bestimmung der Härte moderner Legierungen ist die Prüfung nach Vickers. Sie wurde in den zwanziger Jahren von der Vickers Company in Großbritannien zur Prüfung von Panzerblech entwickelt und ist speziell für die Charakterisierung von Werkstoffen mit sehr harten Oberflächen ausgelegt. Dazu gehört auch die Auswertung der Härte in Wärmeeinflusszonen (WEZ) – ein Bereich des Grundmaterials, der seine Mikrostruktur und Eigenschaften durch Schweißen verändert.

Der ZHV30 Kleinlast-Vickers-Härteprüfer deckt Vickers-Härteprüfungen im Prüfkraftbereich von HV0,2 bis HV30 ab.

Bei der Vickers-Härteprüfung wird eine vierseitige Diamantpyramide mit definierter Prüfkraft und festgelegter Einwirkdauer in die Oberfläche des Materials eingedrückt. Der dadurch entstehende diagonale Eindruck wird mit Hilfe eines Mikroskops vermessen und der entsprechende Vickers-Härtewert aus einer Tabelle abgelesen. Fortschrittliche Prüflösungen wie die von Zwick Roell nutzen eine automatisierte Steuerung, um den Prüf-ablauf zu beschleunigen. Hinzu kommen Bildgebungsverfahren, die eine Analyse der kompletten Schweißverbindungen ermöglichen und damit großflächige Auswertungen unterstützen.

Ein Beispiel für eine Vickers-Härteprüfung ist die Untersuchung der Schutzhüllen von Atom-U-Booten durch die BAE Maritime Systems Submarines in Cumbria (GB). Die Hüllen werden aus geschweißtem, hochfestem Stahl („Naval Quality 1“) gefertigt und müssen im Verlauf der geplanten 30-jährigen Lebensdauer des U-Boots etliche Druckschwankungen überstehen. Die Untersuchung einer U-Boot-Hülle erfordert daher zerstörende und nicht-zerstörende Prüfungen am Grundmetall, den Wärmeeinflusszonen und den Schweißnähten. Da Änderungen der Werkstoffe, des Verbindungsdesigns oder der Schweißtechnik die Festigkeit negativ beeinflussen können, muss die Schweißqualität während der Produktion kontinuierlich gesichert werden.

Automatischer Eindringverlauf

Die Überprüfung erfolgt durch drei parallele Härteprüfverläufe zu beiden Seiten der Schweißnähte. Eine manuelle Untersuchung mit herkömmlichen Prüfgeräten ist überholt: Sie ist zeit- und kostenaufwändig und ist in Bezug auf die Speicherkapazität der Messbilder ebenso eingeschränkt wie in den mechanischen Bewegungen des Prüfgerätes. Die Lösung ist ein Automatisierungs- und Prüfsystem, das Prüfzeiten reduziert und den Qualitätsstandard erreicht und einhält. Das Unternehmen BAE Materials Technology Centre hat sich daher für ein Vickers-Mikro/Makro-Härteprüfsystem von 2 bis 300 Newton von Zwick Roell Indentec entschieden – mit automatischem Eindringverlauf, motorischem XYZ-Tisch, mehreren Objektiven und Scansoftware.

Dreidimensionale Darstellung der in 6004 Härtetests gewonnenen Härtewerte an einer Schweißnaht (T-Stoß).

Die Besonderheit des Systems ist, dass es Bilder einzelner Messstellen automatisch zusammensetzt und damit auch großflächige Auswertungen unterstützt. Jeder Messpunkt wird auf der Basis einer definierten Einwirkkraft erstellt. Belastung und Abstand sind dabei so gewählt, dass die Auflösung noch ausreicht, um auch mikrostrukturelle Unterschiede innerhalb der gefertigten Verbindung differenzieren zu können. Die Untersuchungen können von wenigen Punkten einer Wärmeeinflusszone auf mehr als 25.000 Punkte zur Abdeckung einer kompletten Schweißnaht ausgeweitet werden.

Neue Werkstoffe optimieren

Die automatisierte Härteprüfung nach Vickers wird darüber hinaus als Forschungs- und Entwicklungstool eingesetzt, um die Zusammensetzung neuer Werkstoffe und Schweißmaterialien zu optimieren. Eine typische Anwendung ist die Untersuchung der T-Stoßnähte beim UP-Schweißen, ein Hochleistungs-Lichtbogenschweißverfahren. Ziel ist unter anderem, Aufmischung und Gefügeveränderung des Grundmaterials zu erkennen. Während das Schweißgut selbst keine erkennbaren Bereiche höherer Härte in Verbindung mit der Aufmischung des Grundmaterials aufweist, können im Mikrobereich durchaus verhärtete Streifen in einzelnen Schweißlagen auftauchen. Untersuchungen zeigen einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Spitzenhärte einer Schweißlage und Bereichen hoher Härte in der Wärmeeinflusszone.

Eine präzise Messtechnik ist beispielsweise auch Voraussetzung für eine CTOD-Prüfung (Crack Tip Opening Displacement). Diese wird genutzt, um den Widerstand eines Werkstoffs gegen Risswachstum zu bestimmen. Das erlaubt nicht nur die Optimierung von Schweißtechnik, Verbindungsdesign und Schweißzusätzen, es eröffnet zusätzlich die Möglichkeit, eine umfangreichere Datenbank als bisher über das Bruchzähigkeitsverhalten von Schweißstellen zu erstellen. cs