Handbuch Metallschäden

Ziel handwerklicher und industrieller Arbeit sind funktionsgerechte und wirtschaftliche Gebrauchsgegenstände, Maschinen und Werkzeuge, die während einer vereinbarten oder gefühlt-üblichen Nutzungsdauer fehlerfrei und sicher angewendet werden können. Der Verlust der gewährleisteten Funktion wird als (technischer) Schadensfall empfunden, der immer von einem Fehler eingeleitet wird. Der Schaden kann plötzlich eintreten, z. B. durch Bruch. Die Funktionsfähigkeit kann auch allmählich z. B. durch Korrosion oder durch Verschleiß gemindert werden.

Als Ausgangspunkt der Schadensuntersuchung wird angenommen, dass das Bauteil vorliegt, von dem der Schaden ausging. Die Aufbereitung von Großschäden beispielsweise in der Luftfahrt, bei denen aus einer Vielzahl beschädigter Teile zunächst das primäre Schadensteil gefunden werden muss, ist vom Einzelfall bedingt und kann nicht sinnvoll verallgemeinert werden.

Ein Bruch ist die Zerlegung eines Bauteils in mindestens zwei Teile, die durch äußere und innere Spannungszustände ausgelöst wird. Brüche führen, von Ausnahmen wie der bereits erwähnten Berstscheibe abgesehen, zum Funktionsverlust.

Die meisten technischen metallischen Werkstoffe sind aus vielen Einzelkristallen aufgebaut. Da diese lückenlos aneinandergrenzen, müssen sie vielflächige, meist unregelmäßige Formen annehmen und können äußerlich keine geometrisch geordneten Kristallformen ausbilden, wie dies freigewachsene Kristalle tun. Zur Unterscheidung nennt man die Kristalle eines Metallgefüges deshalb Kristallite oder Körner.

Ein feingebündelter Elektronenstrahl (Strahldurchmesser < 10 nm) rastert die Probe Zeile für Zeile und Punkt für Punkt ab. Synchron zu dieser Bewegung läuft der Elektronenstrahl einer Bildröhre. Beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf einen Punkt der Probe emittiert dieser Elektronen (Sekundärelektronen und rückgestreute Elektronen).

Herstellungsbedingte innere Hohlräume und Trennungen können entstehen: Durch Schrumpfungsvorgänge bei der Erstarrung; diese führen zur Hohlraumbildung (Lunker) oder zur Trennung im teigigen Zustand. Durch eingeschlossene Glasblasen und Poren. Durch Anhäufung nichtmetallischer Verunreinigungen in der Schmelze. Durch mangelnde Bindung der Körner in Sinterwerkstoffen. Durch Bindefehler infolge mangelnder Benetzung. Durch Wasserstoff (Fischaugen, Flocken, vergleiche Kapitel 3.2.2.3).

Schaden an einer Ventilspindel eines Erdgas-Schnellschlussventils einer GasturbineDie Spindel eines Schnellschlussventils für Erdgas als Gasturbinenbrennstoff für ein nordamerikanisches Kraftwerk brach nach nur sehr kurzer Einsatzzeit.

Anlässlich der Revision eines Gasturbinenkraftwerkes im Nahen Osten wurde bei der zerstörungsfreien Oberflächenrissprüfung nach dem magnetischen Streuflussverfahren (MT) ein 6 mm langer Anriss oberhalb des Schaufelfußes an der Eintrittskante einer Verdichterlaufschaufel der Stufe 9 gefunden.

Bei der Revision eines deutschen Dampfkraftwerkes wurde eine Ventilspindel an einer Dampfturbine neu eingebaut. Nach nur dreistündigem Betrieb ist sie in dem sich zu jener Zeit im Leerlauf befindlichen Ventil gebrochen.

Die Läuferwelle der Hochdruck-Teilturbine einer Dampfturbine ist in der Randzone des Schrumpfsitzes der Spurscheibe in Form eines Umlaufbiege- Ermüdungsbruches durchgebrochen. Am Lagerbock wurde eine Gleitbehinderung am Führungskeil festgestellt, wodurch das vordere Lager zerstört wurde und das vordere Wellenende des Läufers anlief.

In den Fallstudien direkt zitierte Literatur

Als Rohrleitungswerkstoff in der Fallstudie 3.1.2.1 und als Buchsenwerkstoff in der Fallstudie 3.4.1.3 wurde nach damaliger Normung St 35.8I (Werkstoff- Nr. 1.0305, Stahl für nahtlose Kesselrohre nach DIN 17175, heute etwa P235GH-TC1 nach EN 10216-2, Werkstoff-Nr. 1.0345) verwendet.

Als Flanschwerkstoff in der Fallstudie 3.1.2.1 wurde der unlegierte Kohlenstoffstahl C22, Werkstoff-Nr. 1.0402 (heute in EN 1092-1 genormt) im gesenkgeschmiedeten und vergüteten Zustand verwendet.

Für die in den Fallstudien 3.2.1.1 bis 3.2.1.6 und 3.2.3.1 besprochenen Bauteile wurde der hochlegierte, rostfreie hartmartensitische Chromstahl X20Cr13, Werkstoff-Nr. 1.4021, im gesenkgeschmiedeten und vergüteten Zustand oder als vergüteter Walzstahl eingesetzt.

In der Fallstudie 3.1.2.3 wurde als Dampfturbinenschaufelwerkstoff X15Cr13 ein hochlegierter, rostfreier und hartmartensitischer Chromstahl mit der Werkstoff-Nr. 1.4024 verwendet. Dieser Werkstoff ist dem in Kap. 4.3 beschriebenen sehr ähnlich und unterscheidet sich lediglich durch die leicht abgesenkten Kohlenstoff- und Mangangehalte und die etwas geringere Festigkeit.

In der Fallstudie 3.1.1.1 wurde als Spindelwerkstoff der rostfreie, hartmartensitische Chromstahl 1.4057 (X17CrNi16-2) gemäß EN 10088-3 im vergüteten Zustand gewählt. Der Werkstoff kann in verschiedenen Erzeugnisformen bezogen werden.

In der Fallstudie 3.2.1.7 wurde als Werkstoff für die relativ großen Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln der hochlegierte, rostfreie und hartmartensitische 13%-ige Chromstahl X20CrMo13 mit der Werkstoff- Nr. 1.4120 im präzisionsgeschmiedeten und vergüteten Zustand verwendet.

Der Werkstoff 1.4571 gehört der Gruppe der „V4A“- Stähle an. Von Anwenderseite wird dieser unwissenschaftliche Name nach wie vor gerne als Oberbegriff für diese Klasse der rostfreien austenitischen Stähle verwendet. Die Bezeichnung V4A steht dabei für eine bestimmte Versuchsnummer der Friedrich Krupp AG, Essen, der 1912 für diesen Werkstoff ein Patent erteilt wurde.

Auch der Stahl 1.4923 ist ein häufig eingesetzter Turbinenschaufelstahl für höhere korrosive Beanspruchungen und Festigkeitsanforderungen. Insofern ist er bezüglich Verwendung und Eigenschaften den unter Kap. 4.3, 4.4 u. 4.6 besprochenen Werkstoffen ähnlich und gehört in die gleiche Materialklasse.

In den Fallstudien 3.1.2.2, 3.3.3.1 bis 3.3.3.2 und 3.3.3.5 wurde als Werkstoff der hochlegierte, hochwarmfeste, metastabile austenitische Stahl X8CrNiNb16-13 mit der Werkstoff-Nr. 1.4961 verwendet. Einer der Handelsnamen für diese Legierung lautet ATS. Eine der verwendeten amerikanischen Bezeichnungen ist 347 H.

In der Fallstudie 3.3.2.1 war als Turbinenschaufelwerkstoff der hochwarmfeste, metastabile austenitische Stahl GX7CrNiNb16-13, Werkstoff- Nr. 1.4968, gewählt worden. Eine der Handelsnamen für diese hochwarmfeste Legierung ist ATS.

In der Fallstudie 3.1.2.2 wurde als Turbinenleitschaufelwerkstoff der hochlegierte, hochwarmfeste, vollaustenitische Stahl X12CrCoNi21-20, Werkstoff-Nr. 1.4971 (Handelsnamen N-155, ATS-105 oder Multimet, nach Aerospace Material Specification u. a. AMS 5532) verwendet.

In der Fallstudie 3.1.2.9 wurde für den schadhaften Brenner der Werkstoff 16Mo3, Werkstoff-Nr. 1.5415, gewählt. Im übrigen ist der Werkstoff fast niemals schadensursächlich. Dies gilt auch für jene Fallstudie 3.1.2.9. In früheren Zeiten, als die Werkstoffherstellung noch nicht das heutige Niveau hatte, mag dies noch anders gewesen sein (Untergang der Titanic u. a. wegen schlechter Qualität der Nieten).

Für die Passfeder aus der Fallstudie 3.2.2.2 wurde der hochfeste und hochzähe Stahl 28NiCrMo4 mit der Werkstoff-Nr. 1.6513 verwendet. Das Legieren mit Molybdän verbessert die Anlassbeständigkeit bei großen Blechdicken wird deshalb eine Vorwärmung auf ca. 200 °C empfohlen.

Die Schadensradscheibe aus der Fallstudie 3.2.2.3 war ein Gesenkschmiedestück aus dem niedriglegierten chrom-nickel-molybdän-legierten Vergütungsstahl 34CrNiMo6, Werkstoff- Nr. 1.6582. Diesen hochfesten Stahl, der u. a. für hochbeanspruchte Teile im Automobil- und Motorenbau entwickelt wurde, hat man früher häufig für große Schmiedestücke eingesetzt.

Dieser in der Fallstudie 3.2.2.1 behandelte Werkstoff 1.6738 für große Schmiedeteile ist dem unter 4.13 beschriebenen Stahl 1.6513 sehr ähnlich. Zur Gruppe der Stähle für große Schmiedestücke gehören Vergütungsstähle, die bei größeren Durchmessern ab ca. 100 mm nach der Wärmebehandlung über den gesamten Schmiedestückquerschnitt ein annähernd gleiches Gefüge und damit vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweisen.

In der Fallstudie 3.1.2.4 ist der Werkstoff des Schadensbauteils, der gebrochenen Turbinenwelle, der Stahl 1.7733 (24CrMoV5-5). Die zugehörige Spurscheibe war aus 1.8070 (21CrMoV5-11) gefertigt. Dieser Werkstoff wird in Kap. 4.17 besprochen. Beide Materialien sind sehr ähnlich und gehören zur Gruppe der niedriglegierten Chrom-Molybdän-Vanadiumstähle für große Schmiedestücke.

In der Fallstudie 3.3.2.4 ist der Werkstoff des Schadensbauteils, der Schraube mit Heißrissen im warmangestauchten Schraubenkopf, der Stahl 1.7711 (40CrMoV4-6). Das Material gehört zur Gruppe der niedriglegierten Chrom-Molybdän-Vanadiumstähle. Der Werkstoff wird üblicherweise im vergüteten Zustand eingesetzt (Q+T, quenched and tempered) und im Allgemeinen den warmfesten Güten zugeordnet.

Die Spurscheibe aus der Fallstudie 3.1.2.4 war aus dem Werkstoff 1.8070 (21CrMoV5-11) gefertigt. Dieses Material wurde gemeinsam mit dem Werkstoff des Schadensbauteils, der gebrochenen Turbinenwelle aus 1.7733 (24CrMoV5-5) bereits im Kap. 4.16 besprochen. Beide Materialien sind sehr ähnlich und gehören zur Gruppe der niedriglegierten Chrom-Molybdän- Vanadiumstähle für große Schmiedestücke.

In der Fallstudie 3.3.1.2 wurde als Werkstoff des Schadensbauteils der Federstahl 58CrV4 mit der Werkstoff-Nr. 1.8161 nach DIN 17 221 (vergütbarer Stabstahl für die Federherstellung – inzwischen ersetzt durch DIN EN 10089) verwendet. Der 1.8161 ist ein niedriglegierter Vergütungsstahl und wird auch jener Stahlgruppe zugeordnet. Das in den entsprechenden Werkstoff-Kapiteln 4.12 bis 4.17 zu den Vergütungsstählen Gesagte gilt für den 58CrV4 sinngemäß.

In der Fallstudie 3.4.1.4 wurde ein Lagermetall auf Zinnbasis (Weißmetall), LgSn80 nach damals gültiger Normung gemäß DIN 1703, verwendet. Neuere Markennamen für ähnliche Produkte sind beispielsweise Tego V738 oder Tegostar 738. Die Zusammensetzung dieser neueren Legierungen ist ungefähr Sn80Sb- 12Cu6ZnAg. Zinn (Sn) ist dabei das Basismetall.

Udimet 520 ist eine Nickelbasis-Knetlegierung. Dieser zu den Nickelbasis-Superlegierungen gehörende Werkstoff wird in weniger heiß gehenden Gasturbinen älterer Baureihen bzw. in deren hinteren Stufen, in denen die Temperaturbeanspruchung nicht mehr ganz so hoch ist, für gesenkgeschmiedete Turbinenleit- und -laufschaufeln eingesetzt (s. a. Fallstudien 3.1.1.2, 3.3.5.1 und 3.4.2.1). Darüber hinaus gelten die Ausführungen in Kap. 4.24 sinngemäß.

Die in der Fallstudie 3.1.1.3 besprochenen Turbinenschaufeln waren aus der ausscheidungshärtbaren Nickelbasis-Gusslegierung IN 738 LC gefertigt, die ihrer hohen Zeitstandfestigkeit wegen lange Zeit für Turbinenlaufschaufeln in stationären Gasturbinen ihr Einsatzgebiet fand. Kommerziell eingeführt wurde sie Mitte der 1960er Jahre, abgeleitet von den frühen polykristallin, also konventionell vergossenen Nickelbasis-Superlegierungen für Feingussteile.

Der Werkstoff der Schadensbauteile aus den Fallstudien 3.1.2.5, 3.1.2.6, 3.3.4.1 und 3.3.4.2 ist die Nickelbasis-Gusslegierung Inconel 792. Das Material ist ausscheidungshärtbar und wird konventionell polykristallin vergossen, ist aber kommerziell auch als gerichtet erstarrte Variante verfügbar (IN 792 DS, directionally solidified oder CGDS IN-792, columnar grain directionally solidified), in welcher es einige Bedeutung für die gegenüber Flugturbinenschaufeln viel größeren Industriegasturbinenschaufeln erlangte.

In der Fallstudie 3.1.2.7 wird die Nickelbasis-Superlegierung B-1900 diskutiert. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um eine hochfeste, ausscheidungshärtbare Gusslegierung, aus der polykristalline, also konventionell vergossene Bauteile im Feingussverfahren hergestellt werden.

Gegenstand der Fallstudien 3.1.2.8, 3.3.4.1 und 3.3.4.2 ist die Nickelbasis-Knetlegierung Udimet 720. Sie wurde Mitte der 1970er Jahre kommerziell eingeführt und gehört zu den Werkstoffen für gesenkgeschmiedete Turbinenschaufeln, zu denen auch N 90 zählt (Kap. 4.28). Das dort allgemein Gesagte gilt für U 720 sinngemäß. In der Version U-720LI wurde der Werkstoff auch als Radscheibenmaterial für Industriegasturbinen erprobt und dies nicht nur in einer schmelzmetallurgisch, sondern auch in einer pulvermetallurgisch hergestellten.

Die ausscheidungshärtbare Nickelbasis-Superlegierung IN 718 (Fallstudie 3.2.3.3), eine Knetlegierung, die vor allem als Radscheibenwerkstoff im Turbinenteil von Flugtriebwerken Bedeutung erlangte, ist im Gegensatz zu den anderen in diesem Buch behandelten Nickelbasis-Superlegierungen ein γ''-Bildner.

In der Fallstudie 3.3.2.2 waren die heißrissanfälligen Turbinenschaufeln aus René 80 (Tab. 1) hergestellt. Es ist ebenfalls eine ausscheidungshärtbare Nickelbasislegierung, die in der zweiten Hälfte der 60er Jahre von General Electric entwickelt wurde. Bauteile werden üblicherweise im Feingussverfahren hergestellt.

Hastelloy X (Fallstudie 3.3.2.3) ist eine nicht ausscheidungshärtbare, also mischkristallverfestigte Nickel-Eisen-Superlegierung, die häufig in gesenkgeschmiedeter Form und als Blech für Heißgasteile eingesetzt wird. Sie ist Alloy 617 (Kap. 4.31) ähnlich und gehört zu derselben Werkstofffamilie. Im Unterschied zu Alloy 617 hat Hastelloy X einen hohen Eisenanteil und ist deshalb eines der preiswertesten Materialien aus der Gruppe der Nickelbasis-Knetlegierungen.

Die Nickelbasis-Knetlegierung Nimonic 90 (N 90) kommt in den Fallstudien 3.3.3.3, 3.3.3.4, 3.3.3.6 und 3.3.3.7 vor. N 90 ist eine ausscheidungshärtbare Nickelbasis-Superlegierung. Es ist ein moderater γ'- Bildner. Neben dieser intermetallischen Phase der ungefähren Zusammensetzung Ni3(Al,Ti) erhält die Legierung ihre Ausscheidungshärtung zum Zwecke der Erhöhung der Zeitstandfestigkeit auch über Sekundärcarbide des Typs M23C6, die vor allem Cr und Ti enthalten.

In der Fallstudie 3.3.5.2 hatten Turbinenschaufeln aus PWA 1484SXL eines Flugtriebwerkes wegen Hochtemperaturkorrosion und dadurch ausgelöster Schwingbrüche versagt. Beim PWA 1484SXL handelt es sich um eine ausscheidungshärtbare, einkristalline Nickelbasis-Superlegierung der sog. 3. Generation.

In der Fallstudie 3.3.5.3 wurde als Bauteilwerkstoff die Nickelbasis-Knetlegierung René 41 als Gesenkschmiedeteil verwendet. Der Werkstoff hat nach Aerospace Material Specification die Nummer AMS 5800). René 41 ist ebenfalls eine γ'-aushärtende Nickelbasislegierung. Der Werkstoff gilt als relativ unempfindlich gegen Oxidation und besitzt bis 870°C noch ausreichend gute Festigkeitseigenschaften.

Alloy 617 wird in der Fallstudie 3.3.6.1 besprochen. Dieser Werkstoff, von der ehemaligen Firma Inco Alloys als Inconel 617 oder IN 617 in Umlauf gebracht und unter diesem Namen auch bei vielen Legierungsanwendern bekannt, ist dem Werkstoff Hastelloy X aus Kap. 4.27 legierungstechnisch ähnlich und gehört zu derselben Werkstofffamilie. Die allgemeinen Ausführungen dort gelten hier sinngemäß.

In der Fallstudie 3.1.2.7 wird u. a. die ausscheidungshärtende, hochlegierte Eisenbasis- Legierung A-286 behandelt, eine Legierung, die z. B. für gesenkgeschmiedete Turbinenradscheiben für Flugtriebwerke, aber auch für Abgasturbolader und andere heißgehende Teile von Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen eingesetzt wird.

Titanlegierungen haben wegen ihrer vergleichsweise hohen Festigkeit bei gleichzeitig sehr niedrigem spezifischen Gewicht und guter Korrosionsbeständigkeit weite Verbreitung in ganz verschiedenen Anwendungsgebieten gefunden.