Das Bauteil als Datenträger - Systematische ... - Werkstoff Service

Warum Schadensanalyse?Ursache: StahlalterungUrsache: SchwingbruchAbgeknickter StrommastICE Unfall EschedeUrsache: ReibkorrosionUrsache: schlechter ReinheitsgradGebrochene HüftendoprotheseGebrochene Dampfturbinenwelle(Kraftwerk Irsching)testXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH5

Wie ist der Ablauf einer Schadensanalyse?VDI Richtlinie 3822:2011-11: Schadensanalyse - Grundlagen und Durchführung einer SchadensanalysetestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH6

Bestandsaufnahme2. Schritt: Bestandsaufnahme• Hintergrundinformationen zum Schaden und zum Objekt• Rahmenbedingungen vor Ort (z. B. Äußere Belastungen)• Rekonstruktion des Schadenshergang• Bewertung der Konstruktion• Überprüfung des eingesetzten Werkstoffs, der Fertigung undder betrieblichen Nutzung?Einer der wichtigsten Punkte bei der SchadensanalyseSubjektive Informationen auf Vertrauenswürdigkeit prüfen (z.B.auf Interessenkonflikte achten) !testXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH8

Schadenshypothese3. Schritt: Erstellung einer Schadenshypothese• Formulierung einer Hypothese zum Schaden aus den bishergewonnenen Informationen aus Schadensbeschreibung undBestandsaufnahme• Durch Erfahrung und Hintergrundwissen können so diewahrscheinlichsten Schadenshergänge als Hypothesebeschrieben werdenDient der Grundlage auf der Basis die späterenUntersuchungen durchgeführt werden.testXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH9

Instrumentelle Analysen4. Schritt: Untersuchungen am Schadensteil• Abarbeiten entsprechend einem vorher definiertenUntersuchungsplan• Untersuchungen werden entsprechend derSchadenshypothese durchgeführtAchtung: Sorgfältige Probennahme und Präparation zurVermeidung von Artefakten !Dient der Bestätigung der Hypothese‣ Im Fall, dass die Hypothesen nicht bestätigt werden, musseine neue Schadenshypothese aufgestellt werdentestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH10

Ergebnisse und Abhilfe5. Schritt: Ermittlung der Schadensursache• Alle Untersuchungsergebnisse werden zusammen mit denInformationen aus Beschreibung und Bestandsaufnahmeverknüpft um die Schadensursache zu ermitteln• Möglicherweise existieren mehrere UrsachenDient der Basis für eine Einleitung vonSchadensabhilfemaßnahmentestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH11

Bericht und Wissensmanagement6. Schritt: Dokumentation der Schadensanalyse• Alle Untersuchungsergebnisse werden systematisch undvollständig zur Rückverfolgung dokumentiert.Dient der nachverfolgbaren Dokumentation derSchadensanalyseMöglichkeiten zur Erstellung einer Datenbank ausSchadensanalysen, die nach Stichworten (z.B.Schadensmechanismen) kategorisiert werden können.‣ Sammlung von Erfahrung, damit künftig diese Fehlervermieden werden können.testXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH12

VDI-Richtlinie 3822 - Schadensarten• Schäden durch mechanische Belastung – VDI 3822 Blatt 2• Schäden durch Korrosion in Elektrolyten – VDI 3822 Blatt 3• Schäden durch thermisch Beanspruchung – VDI 3822 Blatt 4• Schäden durch tribologische Beanspruchung – VDI 3822 Blatt 5• Flüssigmetallinduzierte Rissbildung beim Stückverzinken – VDI 3822Blatt 1.6Inhalt der Richtlininen:• Beschreibung der einzelnen Schadensmechanismen mitderen Erscheinungsformen• Unterteilung in makroskopische und mikroskopischeErscheinung• BeispielbildertestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH13

Welche Informationen liefert das Bauteil?• Informationen zu chemischer Zusammensetzung Spektralanalyse• Informationen zu Festigkeit Zugversuch, Härtemessung• Informationen zur Zähigkeit Kerbschlagbiegeversuch• Informationen zum Werkstoffgefüge Metallographie• Informationen zur Bruchart Fraktographie (Stereomikroskop,Rasterelektronenmikroskop)• Informationen zu Oberfläche und Beschichtungen GDOS, XPS,Metallographie + REM, EDX, Härtemessungen• Informationen zur Kristallstruktur RöntgendiffraktometrietestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH14

Beispiel ExtruderschneckeVereinfachte schematische Darstellung desExtruderstestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH15

Beispiel ExtruderschneckeExtruderschnecke für die Kunstofffolienherstellung• Werkstoff: 31CrMoV9• Gasnitriert mit einer NHD = 0,6 + 0,3 mm• Oberflächenhärte: 780-850 HV• Aufpanzerung mit Wolframkarbid auf denSchneckenköpfen zum VerschleißschutzSchadentestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH16

Beispiel Extruderschnecke• Der Extruder wird zum Mischen und Verflüssigen deszugeführten Kunststoffgranulates verwendet.• Im Betrieb bei der Folienherstellung kam es nachweniger als 1 Jahr zum Ausfall der Anlage• Es waren Teile der Wolframkarbidpanzerung abgeplatztund wurden in die Anlage gefördert, wo sie weitereSchäden an Walzen verursacht hatten.• Betriebsdaten: T = 120°C bis 200°C mit P max = 1000 bar• Betriebsmedium: Kunststoffgranulat mit Pigmenten undFüllstoffen, wie RieselhilfenPartieller Verlustder AufpanzerungtestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH17

Beispiel Extruderschnecke• Im Bereich der Einfüllung starke Verschleißerscheinungauf der Schneckenoberfläche und vornehmlich dertreibenden Flanke Verschleiß nur auf 4 Windungen• Partieller Ausbruch der AufpanzerungOberflächeTreibende FlankeAufpanzerungtestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH18

Beispiel ExtruderschneckeSchadenshypothese:Verschleiß durch Festkörperströmung entlang derFörderschneckeUrsachenmöglichkeiten:• fehlerhafte Nitrierhärtung• zu hohe Fördergeschwindigkeiten• Zu harte Zusatzstoffe im GranulattestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH19

Beispiel Extruderschnecke• Überprüfung der chemische Zusammensetzung deseingesetzten WerkstoffsLeichte Unterschreitung des Vanadiumgehaltesgegenüber den Vorgaben der NormtestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH20

Beispiel Extruderschnecke• Untersuchung der Schädigung imRasterelektronenmikroskoptestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH21

Beispiel Extruderschnecke• Untersuchung der Schädigung imRasterelektronenmikroskopSiliziumhaltige PartikelTitanhaltige PartikeltestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH22

Beispiel Extruderschnecke• Morphologie des Schadens im Längsschliff• Unbeeinflusster Bereich• Beginnender Schaden• Ausgeprägter Schaden mit Abbruch der PanzerungtestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH23

Beispiel ExtruderschneckeGefügeanalyse der SchneckeNitrierschicht am RandVergütungsgefüge imKernbereichtestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH24

Beispiel Extruderschnecke• Überprüfung der Oberflächenhärte und der Nitrierung• Härte 856 HV – NHD = 0,75 mmtestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH25

Beispiel ExtruderschneckeErgenisse:• Die chemische Zusammensetzung weicht imVanadiumgehalt leicht von den Vorgaben ab• Oberflächenhärte und Randschichthärtung entsprichtden Vorgaben und ist unauffällig• Das Gefüge zeigt keine Auffälligkeiten• Die Oberfläche zeigt einen Verschleißschaden• Der Schadensmechanismus ist eine Kombination ausHydroabrasion und Gleitstrahlverschleiß stärksterVerschleiß oberen Flankenbereich‣ Dies führte zu einer Unterwanderung derWolframkarbidaufschweißung, die in demfreitragenden Bereich dann ausgebrochen istVerschleiß ist immer eine Systemeigenschaft‣ Eine Veränderung eines einzelnen Parameters kann dasSystem aus dem Gleichgewicht bringen und zum Ausfallführen.testXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH26

Beispiel ExtruderschneckeSchadensursache:Harte Partikel (SiO 2 , TiO 2 ) als Zusatzstoffe im Granulat inVerbindung mit den hohen Strömungsgeschwindigkeitenführten in den ersten Windungen zum Ausfall• Später beginnt das Granulat sich zu verdichten undaufzuschmelzen, daher kein Verschleiß durch dieFestkörperpartikel mehr zu erkennen.Mögliche Abhilfemaßnahmen:• Entfernen von harten Partikeln aus dem Granulat• Zusetzen der Pigmente, wenn möglich später, wenn dasGranulat bereits aufgeschmolzen ist• Konstruktive Veränderung der Förderschnecke inkl.Verschleißschutzschicht, um die neuenBeanspruchungen zu ertragentestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH27

Beispiel ExtruderschneckeAbschließend:Dokumentation der Ergebnisse in einem entsprechendenBericht.Diskussion der Ergebnisse und der möglichenAbhilfemaßnahmentestXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH28

DankeVielen Dank für IhreAufmerksamkeit !testXpo Ulm – 17. Oktober 2013Dr.-Ing. Lorenz Gerke, W.S. Werkstoff Service GmbH29