Verbindungselemente aus Metall werden in vielen Anwendungen zur Befestigung von Teilen und Komponenten verwendet. In der Regel sind diese Elemente entscheidend für die Bauteilsicherheit. Daher sind Verbindungselemente aus Metall ein alltäglicher Gegenstand für metallographische Prüfungen sowohl in der Prozess- als auch in der Qualitätskontrolle.

Die Metallographie kann für Stichprobenkontrollen der Rohstoffe, die Kontrolle und Verifizierung des Produktionsprozesses, die Fehleranalyse oder die Schraubenprüfung verwendet werden. Die metallographischen Tests, die an Verbindungselementen aus Metall durchgeführt werden, reichen von der Maßprüfung über die Gefügeanalyse bis hin zur quantitativen Analyse.

Verbindungstechnik

Die Verbindunstechnik umfasst ein breites Spektrum an Verbindungselementen. Verbindungselemente aus Metall wie Schrauben, Gewindebolzen, Stifte und Nieten lassen übergeordnet sich in zwei Gruppen einteilen:

• Verbindungselemente mit Gewinde, wie Schrauben, Gewindebolzen und Muttern
• Verbindungselemente ohne Gewinde, wie Nieten und Stifte

Die Wahl der Verbindungslösung und des Werkstoffs hängt von den Anforderungen der Anwendung ab, wie Festigkeit, Torsion und Umgebungsbedingungen. Übliche Werkstoffe für Verbindungselemente und Anwendungen:

Metallographen stehen bei der Präparation von metallographischen Verbindungselementen vor zwei großen Herausforderungen.

Trennen: Größe und Form des Verbindungselements aus Metall können beim Einspannen für Querschnitte eine Herausforderung sein.

Abb. 1: Abtrennen von überschüssigem Material von einem Schraubenkopf vor dem Einbetten

Einbetten: Schrumpfspalte an Gewinde und Kopf des Verbindungselements aus Metall können die gute Randschärfe beeinträchtigen und die Probenreinigung erschweren.

Abb. 2: Gewinde, Verfärbung durch Schrumpfspalt

Eine vollständige Beschreibung, wie diese Herausforderungen zu meistern sind, ist der vollständigen Application Note zu entnehmen, die hier heruntergeladen wird.

Einfache Verbindungselemente aus Metall ohne Gewinde, wie Stifte und Stäbe, gehören zu den ältesten Verbindungstechnologien überhaupt. Gewindenieten, Schrauben und Gewindebolzen wurden viel später entwickelt und zunächst aus Edelmetallen gefertigt.

Eine der größten Entwicklungen der Verbindungstechnologie war die Einführung von duktilen Metallen, die dem Druck beim Pressen und Walzen standhalten konnten. Ab diesem Zeitpunkt wurde die Kaltumformung für die Massenfertigung von Verbindungselementen aus Metall eingesetzt. Heutzutage wird häufig das spanlose Formen (Walzen) verwendet, wobei das Umformen entweder durch Kalt- oder Warmpressen erfolgt.

Kaltumformen von Verbindungselementen aus Metall
Kaltpressen ist die bei weitem gängigste Methode zur Herstellung von Verbindungselementen aus Metall. Ein Kabel wird kontinuierlich in eine Extrusionspresse gespeist. Mit einer Matrize wird der Draht dann komprimiert und der Durchmesser verringert, bis die richtige Form entstanden ist. Die Gewinde werden durch Kaltwalzen geformt. In einigen Fällen kann die Oberflächenhärte des Verbindungselements aus Metall mittels Induktionshärten erhöht werden.

• Bei hochwertigen Verbindungselementen aus Stahl werden verschiedene Wärmebehandlungen eingesetzt, um bestimmte Materialeigenschaften zu erreichen.
• Kohlenstoffarme Stähle werden aufgekohlt, um eine harte Oberfläche mit einem weichen, duktilen Zentrum zu schaffen.
• Kohlenstoffstähle sind gehärtet und angelassen.
• Sehr hochwertige Konstruktionsschrauben können nach der ersten Formgebung spanend bearbeitet werden, um bestimmte Formen, Toleranzen und Oberflächen zu erreichen.

Warmumformen von Verbindungselementen aus Metall
Das Warmumformen kann weiterhin für sehr große oder komplex geformte Schrauben aus Metall verwendet werden.

Korrosionsschutz von Verbindungselementen aus Metall
Zur Verbesserung des Korrosionsschutzes können Verbindungselemente mit Mangan, Zink oder Eisenphosphat beschichtet und anschließend geölt werden. Wenn ein höherer Korrosionsschutz erforderlich ist, können Verbindungselemente aus Metall mit Zink- und Cadmium- oder Chromplattierung galvanisiert oder in einem PVD-Verfahren mit Cadmium und Aluminium beschichtet werden.

Weitere Informationen
Eine ausführliche Beschreibung der verschiedenen Prozesse und Technologien, die bei der Herstellung von Verbindungselementen aus Metall zum Einsatz kommen, ist der vollständigen Application Note zu entnehmen, die hier heruntergeladen wird.

Abb. 3:

Das Kaltumformen ist eine grundlegender Vorgang, bei dem das runde Drahtmaterial noch „kalt“ in die gewünschte Form gebracht wird. Bei dem Vorgang muss die Kontinuität des Korns aufrechterhalten werden, um die vollständige Integrität des Befestigungselements aus Metall zu gewährleisten.

Abb. 4:

Beim Gewindewalzen wird ein Rohling zwischen zwei Flachmatrizen mit präzisen Parallelrillen gewalzt. Das Walzen kann kalt oder warm durchgeführt werden. Gewalzte Gewinde sind belastbar und glatt und es wird kein Material verschwendet.

Die größte Herausforderung bei der Präparation von Verbindungselementen aus Metall für metallographische Prüfungen, einschließlich Schraubenprüfungen, ist die Geometrie der Teile. Aufgrund des hervorstehenden Kopfes kann das Einspannen eines Verbindungselements für einen Querschnitt schwierig sein. Darüber hinaus können Kopf und das spiralförmige Gewinde beim Einbetten Schrumpfspalten verursachen. Dies ist besonders bei beschichteten Metallen wichtig, da die Beschichtung des Verbindungselements ohne gute Randschärfe nicht ordnungsgemäß untersucht werden kann.

Im Folgenden geben wir Ihnen kurze Empfehlungen, wie Sie am besten mit diesen Herausforderungen umgehen können. Eine ausführlichere Beschreibung der Präparation von Verbindungselementen aus Metall für die metallographische Analyse und Schraubenprüfung ist der vollständigen Application Note zu entnehmen, die hier heruntergeladen wird.

Trennen: Sicheres Einspannen von Verbindungselementen aus Metall

• Für mittelgroße oder dünne Schrauben kann ein spezieller Gewindehalter zur Sicherung der Schraube während des Trennens verwendet werden.
• Bei kleineren Schrauben und Nieten wird den Kopf an einer Seite abgelängt, damit das Verbindungselement flach aufgelegt werden kann. Nach dem Einbetten wird das Verbindungselement bis zur Mitte geschliffen.

Einbetten: Vermeiden von Schrumpfspalten in Proben von Verbindungselementen aus Metall

• Verwenden Sie zum Warmeinbetten Einbettmittel mit hartem Füllstoff wie DuroFast, PolyFast oder LevoFast.
• Zum Kalteinbetten sollten Epoxidharze wie Epofix verwendet werden, da diese am wenigsten schrumpfen
• Reinigen Sie die Probe vor dem Einbetten gründlich mit einem fettlösenden Mittel.
• Sehr kleine Schrauben sollten mit einem Stück Metall oder Kunststoff als Unterlegscheibe eingebettet werden. Schleifen Sie dann das Verbindungselement bis zur Mitte ab.

Weitere Informationen über Trennen und Einbetten

• Mehr Informationen, Expertenwissen und Erfahrungen finden Sie in unserem Abschnitt über Trennen und Einbetten.
• Hier finden Sie einen Überblick über Trenngeräte, Zubehör und Verbrauchsmaterialien.
• Hier finden Sie auch einen Überblick über Einbettgeräteund die entsprechenden Verbrauchsmaterialien

Abb. 5: Spezieller Probenhalter für Schrauben und Gewindebolzen.

Bei der Präparation von Verbindungselementen für die metallographische Prüfung ist gelegentlich ein Grobschleifen der Probe bis zur Mitte erforderlich. Dies kann auf einem automatischen Schleifgerät mit Schleifstein erfolgen. Die Wahl von Schleif- und Poliermethode sollte auf den Werkstoff des Verbindungselements abgestimmt sein.

Im Laufe der Jahre hat Struers spezielle Präparationsmethoden für die verschiedensten Verbindungslösungen, Werkstoffe und Anwendungen entwickelt, einschließlich Schraubentests. In der vollständigen Application Note finden Sie bewährte, Schritt-für Schritt-Methoden für die Präparation zum Schleifen und Polieren von Schrauben aus legiertem Stahl und Messingschrauben.

Weitere Informationen über Schleifen und Polieren

• Mehr Informationen, Wissen und Know-how finden Sie in unserem Abschnitt über Schleifen und Polieren.
• Hier finden Sie unser Angebot an Schleif- und Poliergeräten und die dazugehörigen Produkte.
• Bestellen Sie Verbrauchsmaterialien und Zubehör für das metallographische Schleifen und Polieren.

Abb. 6: Schraubenprüfung: Links ein Riss im Kopf eines C-Stahl-Bolzens, der durch eine Walznaht verursacht wurde, und rechts ein mit 3 % Nital geätzter Querschliff durch den Riss.


*Wert für 6 eingebettete Proben, Ø 30 mm In einen Halter eingespannt.


* Wert für 6 eingespannte Proben, 30 mm Durchmesser. In einen Halter eingespannt.

Bei der Präparation von Verbindungselementen aus Metall für die metallographische Analyse sollten Ätzlösung und -methode entsprechend dem Metall, aus dem das Verbindungselement besteht, gewählt werden.

Interpretation der Ergebnisse

Zahlreiche mechanische Defekte, wie Grate, Risse und Falten, können durch Sichtprüfung oder andere zerstörungsfreie Verfahren erkannt werden. Die Bestimmung der Tiefe eines Defekts kann jedoch eine weitere metallographische Präparation erfordern.

• Gefügefehler werden in der Regel durch Wärmebehandlung, wie Überhitzung, Kornwachstum oder Entkohlung verursacht.
• Risse sind häufig das Ergebnis langfristiger Belastungen wie Biegen, Dehnen und Temperaturwechsel.

Abb. 7:

Verschmelzen von Korngrenzen durch Überhitzen. Nickellegierung, geätzt mit modifiziertem Kalling-Lösung.

Verbindungselemente aus Metall mit und ohne Gewinde, wie Stifte und Schrauben, gehören zu den ältesten Verbindungselementen. Verbindungselemente aus Metall werden auch heute häufig für die Befestigung von Teilen und Komponenten verwendet. Daher sind Verbindungselement- und Schraubenprüfungen für Metallographen sehr gängige Verfahren.

Zur Untersuchung auf mechanische und thermische Schäden, die während der Fertigiung und der anschließenden Wärmebehandlung entstehen, werden in der Regel metallographische Untersuchungen eingesetzt.

Die größte Herausforderung bei der Präparation von Verbindungselementen für die metallographische Prüfung ist deren Geometrie. Die Form des Kopfes kann das sichere Einspannen des Verbindungselements während des Trennvorgangs erschweren, Gewinde wiederum neigen zur Bildung von Schrumpfspalten beim Einbetten. Diese Herausforderungen können durch den Einsatz spezifischer Präparationstechniken und/oder -werkzeuge bewältigt werden. Die Wahl des Schleif-, Polier- und Ätzverfahrens sollte sich nach dem Werkstoff richten.

Eine vollständige Beschreibung der Präparation von Verbindungselementen wie Schrauben für die Prüfung, einschließlich einer Schritt-für-Schritt-Präparationsmethode zum Schleifen und Polieren von Schrauben aus legiertem Stahl und Messingschrauben ist der vollständigen Application Note zu entnehmen, die hier heruntergeladen wird.


Abb. 8: Gewindeabschnitt mit Entkohlung, geätzt mit 5 % Nital.

Hier finden Sie die vollständige Application Note

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Alle Abbildungen von Birgitte Nielsen, Anwendungsspezialistin, Dänemark.
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