Mechanische Prüfung von Schmiedeteilen: Verfahren & Normen
Die mechanische Prüfung von Schmiedeteilen zeigt, ob ein geschmiedeter Stahl nach dem Schmieden und der Wärmebehandlung die geforderten mechanischen Eigenschaften erreicht. Geprüft werden insbesondere Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und Härte.
Zu den wichtigsten Prüfverfahren gehören Zugversuch, Kerbschlagbiegeversuch und Härteprüfung. Je nach Werkstoff, Bauteilgeometrie und Einsatzbedingungen können unterschiedliche Prüfungen und Abnahmekriterien erforderlich sein.
Dieser Leitfaden erläutert die wichtigsten mechanischen Prüfungen für Schmiedeteile, relevante Prüfnormen, Probenentnahme und Bewertung der Prüfergebnisse.
Was bedeutet mechanische Prüfung bei Schmiedeteilen?
Die mechanische Werkstoffprüfung untersucht, wie sich ein Schmiedewerkstoff unter Belastung oder Verformung verhält und ob die geforderten Eigenschaften nach Schmieden und Wärmebehandlung erreicht wurden.
Sie ist Bestandteil der Qualitätssicherung von Schmiedeteilen, erfüllt jedoch eine andere Aufgabe als chemische Analyse oder zerstörungsfreie Prüfung (ZfP).
| Prüfverfahren | Was wird geprüft? |
|---|---|
| Chemische Analyse | Werkstoffzusammensetzung |
| Mechanische Prüfung | Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und Härte |
| Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) | Oberflächen- und innere Ungänzen |
Die chemische Analyse bestätigt die Werkstoffzusammensetzung. ZfP-Verfahren wie Ultraschallprüfung (UT) oder Magnetpulverprüfung (MT) dienen dagegen der Erkennung relevanter Ungänzen.
Die mechanische Prüfung beantwortet eine andere zentrale Frage:
Erfüllt das Schmiedeteil die für seine Anwendung geforderten mechanischen Eigenschaften?
Erst die Kombination dieser Prüfungen ermöglicht eine umfassende Qualitätsbewertung.
Welche mechanischen Prüfungen sind für Stahlschmiedeteile erforderlich?
Zu den häufigsten mechanischen Prüfungen von Stahlschmiedeteilen gehören:
- Zugversuch
- Kerbschlagbiegeversuch
- Härteprüfung
Welche Prüfungen tatsächlich erforderlich sind, hängt unter anderem ab von:
- Werkstoff und Werkstoffspezifikation
- Wärmebehandlungszustand
- Einsatztemperatur und Belastung
- Bauteilgeometrie
- Kundenspezifikation und Abnahmeanforderungen
| Prüfung | Ermittelter Kennwert |
| Zugversuch | Streckgrenze, Zugfestigkeit und Duktilität |
| Kerbschlagbiegeversuch | Kerbschlagarbeit bzw. Zähigkeit |
| Härteprüfung | Härte nach Wärmebehandlung |
Nicht jedes Schmiedeteil benötigt alle Prüfungen. Maßgeblich sind immer die geltende Werkstoff- bzw. Produktspezifikation und die vereinbarten Kundenanforderungen.
Zugversuch an Stahlschmiedeteilen
Der Zugversuch an Schmiedeteilen bestimmt Festigkeit und Duktilität des Werkstoffs. Eine genormte Probe wird kontrolliert auf Zug belastet, bis die relevanten Kennwerte ermittelt werden.
Typische Ergebnisse sind:
| Kennwert | Aussage |
| Streckgrenze | Beginn bleibender plastischer Verformung |
| Zugfestigkeit | Maximale Zugspannung |
| Bruchdehnung | Verformungsfähigkeit bis zum Bruch |
| Brucheinschnürung | Lokale Duktilität im Bruchbereich |
Festigkeit und Duktilität sollten gemeinsam bewertet werden. Zwei Schmiedeteile mit ähnlicher Zugfestigkeit können deutliche Unterschiede bei Bruchdehnung oder Brucheinschnürung aufweisen.
Für hochbelastete Wellen, Ringe und andere sicherheitsrelevante Schmiedekomponenten hilft der Zugversuch zu bestätigen, dass Werkstoff und Wärmebehandlung die spezifizierten Eigenschaften erreicht haben.
Kerbschlagbiegeversuch an Stahlschmiedeteilen
Der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy misst die Energie, die eine gekerbte Probe beim schlagartigen Bruch aufnimmt. Damit wird insbesondere das Zähigkeitsverhalten des Werkstoffs bewertet.
Die Prüfung ist besonders relevant bei Schmiedeteilen für:
- niedrige Einsatztemperaturen
- dynamische oder stoßartige Belastungen
- Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Sprödbruchsicherheit
Von besonderer Bedeutung ist die Prüftemperatur. Stähle können bei sinkender Temperatur einen Übergang von duktilem zu sprödem Bruchverhalten zeigen.
Deshalb sollte ein Charpy-Ergebnis immer zusammen mit Prüftemperatur und vorgeschriebenem Mindestwert bewertet werden.
Eine Angabe wie beispielsweise „27 J“ ist ohne Prüftemperatur und Abnahmekriterium nur eingeschränkt aussagekräftig.
Härteprüfung von Schmiedeteilen
Die Härteprüfung von Schmiedeteilen bestimmt den Widerstand des Werkstoffs gegen lokale plastische Verformung und wird häufig zur Kontrolle des Wärmebehandlungsergebnisses eingesetzt.
Typische Verfahren sind:
- Brinell-Härteprüfung
- Rockwell-Härteprüfung
- Vickers-Härteprüfung, sofern von der Spezifikation vorgesehen
Messungen an definierten Positionen können zeigen, ob der geforderte Härtebereich erreicht wurde und ob die Härte über das Schmiedeteil ausreichend gleichmäßig verteilt ist.
Dies ist insbesondere bei großen Schmiedeteilen relevant, wenn mehrere Messstellen vorgeschrieben sind.
Eine Härteprüfung ersetzt jedoch keinen Zug- oder Kerbschlagbiegeversuch, wenn Festigkeit, Duktilität oder Zähigkeit nachgewiesen werden müssen.
Normen für die mechanische Prüfung von Schmiedeteilen
Die mechanische Prüfung von Schmiedeteilen sollte entsprechend der geltenden Werkstoff- oder Produktspezifikation sowie den darin genannten Prüfverfahren durchgeführt werden.
Für europäische bzw. deutsche Projekte können beispielsweise DIN-EN-ISO-Normen für einzelne Prüfverfahren relevant sein. Bei internationalen oder kundenspezifischen Projekten werden häufig auch ASTM-Anforderungen vorgegeben.
Typische Beispiele sind:
- DIN EN ISO 6892-1 – Zugversuch an metallischen Werkstoffen bei Raumtemperatur
- DIN EN ISO 148-1 – Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy
- entsprechende DIN-EN-ISO-Normen für Brinell-, Rockwell- oder Vickers-Härteprüfungen
- ASTM A370 – mechanische Prüfverfahren für Stahlprodukte
Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Prüfnorm und Produktspezifikation:
Produktspezifikation → definiert geforderte Eigenschaften und Abnahmekriterien
Prüfnorm → definiert, wie diese Eigenschaften geprüft werden
ASTM A370 beschreibt beispielsweise Prüfverfahren für Zug-, Härte- und Kerbschlagprüfungen, legt jedoch nicht automatisch einen universellen Satz von Abnahmewerten für alle Schmiedeteile fest.
Wo werden Prüfproben aus einem Schmiedeteil entnommen?
Die Probenentnahme bei Schmiedeteilen sollte bereits vor Produktionsbeginn anhand der geltenden Spezifikation, Bauteilgeometrie und Kundenanforderungen definiert werden.
Prüfmaterial kann beispielsweise entnommen werden aus:
- einer integrierten Prüfverlängerung
- einem angeschmiedeten Probenstück
- einem separaten, repräsentativen Prüfstück
- einem spezifizierten Bereich des Schmiedeteils
Auch die Probenorientierung ist relevant. Längs- und Querproben können aufgrund des gerichteten Faserverlaufs unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Wenn separates Prüfmaterial verwendet wird, sollte es nach Möglichkeit denselben definierten Wärmebehandlungszyklus wie das repräsentierte Schmiedeteil durchlaufen.
Für den Kunden sollten daher bereits vor Produktionsbeginn drei Punkte geklärt sein:
Wo wird die Probe entnommen, wie ist sie orientiert und welches Bauteil bzw. Fertigungslos repräsentiert sie?
Wie werden mechanische Prüfergebnisse bewertet?
Mechanische Prüfergebnisse werden mit den Abnahmekriterien der geltenden Werkstoff- oder Produktspezifikation sowie den vereinbarten Kundenanforderungen verglichen.
Ein einzelner Messwert reicht für eine technische Bewertung häufig nicht aus.
Bei Zugversuchen sollten beispielsweise Probenposition und -orientierung berücksichtigt werden. Kerbschlagwerte müssen zusammen mit Prüftemperatur und Mindestwert betrachtet werden. Härtewerte sollten der vorgeschriebenen Messposition und Härteskala zugeordnet sein.
Besonders bei großen, kundenspezifischen oder sicherheitsrelevanten Schmiedeteilen sollten diese Abnahmekriterien bereits vor Produktionsbeginn eindeutig definiert werden.
Mechanische Prüfung vs. zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)
Mechanische Prüfung und zerstörungsfreie Prüfung von Schmiedeteilen erfüllen unterschiedliche Aufgaben.
| Mechanische Prüfung | Zerstörungsfreie Prüfung |
| Prüft Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und Härte | Erkennt relevante Oberflächen- oder innere Ungänzen |
| Zug-, Kerbschlag- und Härteprüfung | UT, MT, PT und weitere ZfP-Verfahren |
| Häufig Prüfung an Proben | Prüfung meist direkt am Schmiedeteil |
Ein Schmiedeteil kann eine Ultraschallprüfung bestehen und trotzdem die geforderten Zugkennwerte nicht erreichen. Umgekehrt schließen gute mechanische Kennwerte relevante innere oder oberflächennahe Ungänzen nicht automatisch aus.
Bei kritischen Schmiedeteilen ergänzen sich mechanische Prüfung und ZfP daher und sollten nicht als austauschbare Prüfmethoden betrachtet werden.
Fazit
Eine zuverlässige mechanische Prüfung von Schmiedeteilen bewertet nicht nur einzelne Messwerte. Entscheidend sind auch eine repräsentative Probenentnahme, das richtige Prüfverfahren und die geltenden Abnahmekriterien.
Für eine nachvollziehbare Qualitätsbewertung sollten Prüfergebnisse eindeutig auf Werkstoff, Wärmebehandlungszustand, Probenposition und Fertigungslos zurückgeführt werden können.
So lässt sich zuverlässig beurteilen, ob das Schmiedeteil die geforderten mechanischen Eigenschaften für seine vorgesehene Anwendung erfüllt.