Gewalzte Ringe sind kritische tragende Bauteile, die in der Luft- und Raumfahrt, der Öl- und Gasindustrie, der Energieerzeugung, im Bergbau, bei Lagern und in Schwermaschinen zum Einsatz kommen. Obwohl sie eine ausgeprägte Kornorientierung, hohe Festigkeit und gute Maßhaltigkeit aufweisen, können mangelhafte Kontrollen beim Erhitzen, Walzen, bei der Wärmebehandlung oder bei der Prüfung zu Oberflächen- oder Innenfehlern führen.
1. Oberflächenrisse
Oberflächenrisse gehören zu den häufigsten Fehlern bei gewalzten Ringen. Diese Risse können als feine Haarrisse, kurze Unterbrechungen oder tiefere, sichtbare Brüche am Außendurchmesser, Innendurchmesser oder an der Seitenfläche des Rings auftreten.
Oberflächenrisse sind gefährlich, da sie sich während der Bearbeitung, der Wärmebehandlung oder im Betrieb ausweiten können. In rotierenden Anlagen können Risse unter zyklischer Belastung wachsen und schließlich zu einem Ermüdungsbruch führen.
Ursachen
- Ungeeignete Schmiede- oder Walztemperatur
- Übermäßige Verformung in einem Durchgang
- Geringe Duktilität des Werkstoffs
- Schnelle Abkühlung nach dem Erhitzen oder Walzen
- Oberflächenfehler am Ausgangsblock
- Ungleichmäßige Temperaturverteilung
- Unzureichende Schmierung während des Walzens
- Falsche Handhabung oder mechanische Einwirkungen
Präventionsmaßnahmen
Weitere vorbeugende Maßnahmen sind:
- Prüfung der Knüppel vor der Produktion
- Beseitigung von Oberflächenfehlern vor dem Schmieden
- Verwendung geeigneter Reduktionsverhältnisse
- Vermeidung übermäßiger Verformung in einem Durchgang
- Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit nach dem Walzen
- Sorgfältige Schmierung
- Saubere und glatte Werkzeugoberflächen gewährleisten
- Durchführung einer Sichtprüfung nach jedem wichtigen Prozessschritt
2. Innere Risse und Hohlräume
Innere Risse und Hohlräume sind verborgene Fehler im Inneren des gewalzten Rings. Sie sind schwieriger zu erkennen als Oberflächenfehler und können die mechanische Leistungsfähigkeit erheblich beeinträchtigen.
Durch diese Fehler wird die effektive Tragfläche des Rings verringert. Unter hoher Belastung, Druck oder Vibration können innere Risse wachsen und sich mit anderen Fehlern verbinden, was zu einem Versagen führen kann.
Ursachen
Innere Risse und Hohlräume können folgende Ursachen haben:
- Mangelhafte Qualität der Knüppel oder Barren
- Unvollständige Verdichtung während des Schmiedevorgangs
- Eingeschlossene Gase oder Schrumpfhohlräume
- Unzureichendes Schmiedeverformungsverhältnis
- Unsachgemäße Verformung beim Walzen
- Starke Entmischung im Rohmaterial
- Übermäßige innere Spannungen
- Unsachgemäße Abkühlung nach dem Walzen oder der Wärmebehandlung
Präventionsmaßnahmen
Die wirksamste Präventionsmaßnahme ist die Verwendung hochwertiger Rohstoffe. Hersteller sollten zertifizierten Stahl, legierten Stahl, Edelstahl, Aluminiumlegierungen oder andere spezifizierte Werkstoffe von zuverlässigen Herstellern verwenden.
Wichtige Präventionsmaßnahmen umfassen:
- Einfordern von Werkstoffzertifikaten
- Überprüfung der Knüppelqualität vor der Produktion
- Anwendung einer ausreichenden Schmiedereduktion
- Optimierung der Verformungsabläufe
- Vermeidung übermäßiger Temperaturgradienten
- Steuerung der Abkühlgeschwindigkeiten
- Einsatz von Ultraschallprüfungen zur Inneninspektion
- Aussortierung von Werkstoffen mit inakzeptablen inneren Unregelmäßigkeiten
Die Ultraschallprüfung ist besonders wichtig für große gewalzte Ringe und Ringe, die in kritischen Anwendungen eingesetzt werden. Mit ihr lassen sich innere Risse, Hohlräume, Einschlüsse und Schichtungen erkennen, bevor das Produkt ausgeliefert wird.
3. Unrundheit
Unrundheit bedeutet, dass der gewalzte Ring keine gleichmäßige Kreisform aufweist. Der Ring kann leicht oval, wellig oder im Durchmesser ungleichmäßig sein.
Bei Bauteilen wie Lagern, Zahnrädern, Drehtischen, Flanschen und Dichtungsringen ist die Rundheit von entscheidender Bedeutung. Eine unzureichende Rundheit kann zu Vibrationen, ungleichmäßiger Lastverteilung, Montageproblemen und vorzeitigem Verschleiß führen.
Ursachen
Unrundheit kann folgende Ursachen haben:
- Falsche Einstellung der Ringwalzmaschine
- Ungleichmäßige Walzkraft
- Falsche Ausrichtung von Dorn oder Hauptwalze
- Uneinheitliche Materialtemperatur
- Zu hohe Walzgeschwindigkeit
- Werkzeugverschleiß
- Mangelhafte Bedienung
- Ungleichmäßige Abkühlung nach dem Walzen
- Falsche Handhabung oder Lagerung
Beim Ringwalzen dehnt sich der Ring aus, während die Wandstärke abnimmt. Ist die Walzkraft nicht stabil oder ist der Dorn nicht richtig ausgerichtet, kann es zu ungleichmäßigen Verformungen kommen. Dadurch verliert der Ring seine Kreisform.
Ringe mit großem Durchmesser sind schwieriger zu kontrollieren, da sie schwerer sind und empfindlicher auf Temperaturunterschiede und Verformungen durch unsachgemäße Handhabung reagieren.
Vorbeugungsmaßnahmen
Um Unrundheiten zu vermeiden, sollten Hersteller gut gewartete Ringwalzanlagen einsetzen und eine genaue Prozesssteuerung gewährleisten.
Zu den empfohlenen Maßnahmen gehören:
- Regelmäßige Kalibrierung der Maschinen
- Korrekte Ausrichtung von Dorn und Walze
- Stabile Regelung der Walzgeschwindigkeit
- Gleichmäßige Erwärmung vor dem Walzen
- Echtzeit-Durchmesserüberwachung
- Zwischenprüfung der Maße
- Kontrollierte Abkühlung nach dem Walzen
- Sachgemäße Abstützung bei Handhabung und Lagerung
Moderne CNC-Ringwalzmaschinen können die Rundheit erheblich verbessern, da sie eine präzisere Steuerung der Walzkraft, der Geschwindigkeit und der Ringausdehnung ermöglichen.
Nach dem Walzen sollte eine Maßprüfung durchgeführt werden, um Außendurchmesser, Innendurchmesser, Rundheit und Konzentrizität zu überprüfen.
4. Wanddickenabweichungen
Eine Wanddickenabweichung liegt vor, wenn die Ringwand nicht über den gesamten Umfang hinweg gleichmäßig ist. Ein Bereich kann dicker sein, während ein anderer Bereich dünner ist.
Dieser Fehler kann die mechanische Leistungsfähigkeit, die Auswuchtung, das Bearbeitungsaufmaß und die Genauigkeit bei der Endmontage beeinträchtigen. Bei druckbeaufschlagten Anwendungen kann eine ungleichmäßige Wanddicke zudem zu Spannungskonzentrationen führen.
Ursachen
Zu den häufigen Ursachen zählen:
- Falscher Walzplan
- Falsche Ausrichtung der Werkzeuge
- Ungleichmäßiger Materialfluss
- Instabile Walzgeschwindigkeit
- Schlechte Temperaturgleichmäßigkeit
- Vibrationen der Anlage
- Ungenaue Vorbereitung der Knüppel
- Bedienungsfehler
Wenn der Ausgangsrohling nicht richtig zentriert ist oder der Stanzvorgang ungenau ist, kann der Ring mit ungleichmäßiger Geometrie in den Walzprozess gelangen.
Vorbeugungsmaßnahmen
Hersteller können Schwankungen der Wandstärke durch eine verbesserte Rohlingvorbereitung und Walzkontrolle reduzieren.
Zu den wirksamen Maßnahmen gehören:
- Präzises Schneiden und Stauchen der Rohlinge
- Korrektes Stanzen und Vorformen
- Korrekte Werkzeugauslegung
- Stabile Walzparameter
- Echtzeit-Überwachung der Wandstärke
- Häufige Maßkontrollen
- Schulung des Fachpersonals
- Vorbeugende Wartung der Walzanlagen
Bei präzisionsgewalzten Ringen sollte eine ausreichende Bearbeitungszugabe vorgesehen werden. Hersteller sollten es jedoch vermeiden, sich ausschließlich auf die Bearbeitung zu verlassen, um größere Umformfehler zu korrigieren, da eine übermäßige Bearbeitung die Materialeffizienz verringern und die Vorteile der Kornorientierung beeinträchtigen kann.
5. Überlappungen und Falten
Überlappungen und Falten entstehen, wenn sich das Metall während der Verformung überlappt, aber nicht richtig verbindet. Diese Fehler können auf der Oberfläche des gewalzten Rings oder in deren Nähe auftreten.
Sie sind schädlich, da sie Unregelmäßigkeiten im Inneren des Materials bilden. Unter Belastung können diese Bereiche zu Rissausgangspunkten werden.
Ursachen
Überlappungen und Falten stehen in der Regel im Zusammenhang mit einem schlechten Materialfluss beim Schmieden oder Walzen.
Häufige Ursachen sind:
- Ungeeignete Form des Rohstücks
- Falsche Vorformung
- Übermäßige Verformung
- Niedrige Umformtemperatur
- Mangelhafte Werkzeugkonstruktion
- Ungeeignetes Walzprogramm
- Ungleichmäßiger Metallfluss
- Oberflächenzunder oder Verunreinigungen
Wenn das Material an einer Stelle zu schnell fließt und an einer anderen Stelle behindert wird, kann sich das Metall über sich selbst falten. Sobald sich eine Falte gebildet hat, lässt sie sich in der Regel nicht mehr durch nachträgliches Walzen oder Zerspanen beheben, es sei denn, sie ist flach und kann vollständig entfernt werden.
Präventionsmaßnahmen
Um Überlappungen und Falten zu vermeiden, ist eine sorgfältige Steuerung des Metallflusses erforderlich.
Hersteller sollten:
- die Abmessungen von Knüppeln und Vorformlingen optimieren
- Die richtigen Schmiede- und Walztemperaturen einhalten
- Geeignete Verformungsgeschwindigkeiten verwenden
- Eine übermäßige Reduktion in einem einzigen Durchgang vermeiden
- Die Werkzeugkonstruktion verbessern
- Zunder vor der Umformung entfernen
- Überwachen Sie die Ringform während des Walzens
- Nutzen Sie Prozesssimulationen für komplexe Teile
Bei Ringen mit speziellen Querschnitten ist die Prozessauslegung besonders wichtig. Simulationssoftware kann dabei helfen, den Materialfluss vorherzusagen und Bereiche zu identifizieren, in denen es zu Faltenbildung kommen kann.
6. Zunderfehler und Oberflächenverunreinigungen
Beim Erhitzen reagieren Stahl und viele Legierungen mit dem Sauerstoff in der Ofenatmosphäre und bilden an der Oberfläche eine Oxidschicht. Wird diese Zunder nicht ordnungsgemäß entfernt, kann er beim Schmieden oder Walzen in die Ringoberfläche eingedrückt werden.
Oberflächenverunreinigungen können die Oberflächenqualität beeinträchtigen, die Bearbeitung erschweren und Schwachstellen verursachen.
Ursachen
Zunderfehler und Verunreinigungen können folgende Ursachen haben:
- Übermäßige Erhitzungszeit
- Hohe Ofentemperatur
- Mangelhafte Regelung der Ofenatmosphäre
- Verschmutzte Ofenumgebung
- Unzureichende Entzunderung
- Mangelhafte Materialhandhabung
- Öl, Schmutz oder Fremdkörper auf der Knüppeloberfläche
Zunder kann sich während der Umformung auf der Oberfläche festsetzen. In manchen Fällen entstehen nach dessen Entfernung Vertiefungen oder raue Stellen.
Vorbeugungsmaßnahmen
Hersteller sollten die Erwärmungsbedingungen kontrollieren und die Produktionsumgebung sauber halten.
Zu den sinnvollen Methoden gehören:
- Reduzierung unnötiger Erwärmungszeiten
- Kontrolle der Ofenatmosphäre
- Regelmäßige Ofenreinigung
- Entzundern vor dem Walzen
- Einsatz von Hochdruck-Wasserentzunderung, wo dies sinnvoll ist
- Die Knüppel vor dem Erhitzen sauber halten
- Kontakt mit Schmutz oder Fremdkörpern vermeiden
- Kugelstrahlen nach dem Walzen, falls erforderlich
Auch die Oberflächenreinigung vor der Prüfung ist wichtig. Defekte lassen sich leichter erkennen, wenn Zunder und Verunreinigungen entfernt wurden.
7. Einschlüsse
Nichtmetallische Partikel, die im Metall eingeschlossen sind, werden als Einschlüsse bezeichnet. Sie können aus Oxiden, Sulfiden, Schlacke oder anderen Fremdstoffen bestehen.
Obwohl kleine Einschlüsse innerhalb bestimmter Normen akzeptabel sein können, können große oder konzentrierte Einschlüsse die Zähigkeit, die Dauerfestigkeit und die Schlagzähigkeit verringern.
Ursachen
Einschlüsse entstehen in der Regel beim Stahlherstellungs- oder Schmelzprozess.
Mögliche Ursachen sind:
- Schlackeverunreinigungen
- Mangelhafte Veredelung
- Erosion der Feuerfestauskleidung
- Unzureichende Desoxidation
- Minderwertiges Rohmaterial
- Unsachgemäßer Gießprozess
- Verunreinigte Schmelzumgebung
Präventionsmaßnahmen
Hersteller und Käufer sollten Folgendes verlangen:
- Zuverlässige Materiallieferanten
- Zertifizierte Werkstoffzertifikate
- Saubere Stahlherstellungsverfahren
- Eingangsprüfung des Materials
- Ultraschallprüfung
- Metallurgische Bewertung bei Bedarf
- Rückverfolgbarkeit vom Rohstoff bis zum Endprodukt
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Energiewirtschaft und bei Druckgeräten gelten in der Regel strengere Anforderungen an die Materialreinheit. Käufer sollten die geltenden Normen und Prüfstufen in den Einkaufsunterlagen klar festlegen.
8. Verformung durch Wärmebehandlung
Härte, Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit gehören zu den mechanischen Eigenschaften, die durch eine Wärmebehandlung verbessert werden. Normalisieren, Glühen, Abschrecken, Anlassen, Lösungsglühen und Auslagern sind gängige Wärmebehandlungsverfahren.
Wird die Wärmebehandlung jedoch nicht korrekt gesteuert, können sich gewalzte Ringe verziehen.
Ursachen
Verformungen durch Wärmebehandlung können folgende Ursachen haben:
- Ungleichmäßiger Erwärmung
- Ungleichmäßige Abkühlung
- Falsche Beladung des Ofens
- Unzureichende Abstützung während des Erhitzens
- Schnelles Abschrecken
- Restspannungen durch das Walzen
- Große Unterschiede in der Querschnittsdicke
- Uneinheitliche Mikrostruktur
Große gewalzte Ringe sind besonders anfällig, da Temperaturunterschiede zwischen der Oberfläche und dem Kern auftreten können. Diese Unterschiede erzeugen thermische Spannungen, die die Form des Rings verändern können.
Vorbeugungsmaßnahmen
Um Verformungen durch die Wärmebehandlung zu reduzieren, sollten Hersteller kontrollierte und gleichmäßige Wärmebehandlungsverfahren anwenden.
Wichtige Maßnahmen sind:
- Einsatz kalibrierter Öfen
- Gewährleistung einer gleichmäßigen Erwärmung
- Auswahl einer angemessenen Haltezeit
- Ordnungsgemäße Abstützung der Ringe im Ofen
- Verwendung geeigneter Abschreckmedien
- Regelung der Abkühlgeschwindigkeit
- Bei Bedarf Spannungsarmglühen durchführen
- Prüfung der Maße nach der Wärmebehandlung
Bei hochpräzisen Ringen kann vor der Wärmebehandlung eine Grobbearbeitung durchgeführt werden, gefolgt von einer Endbearbeitung nach der Wärmebehandlung. Dies trägt dazu bei, Verformungen zu beseitigen und gleichzeitig genaue Endmaße zu erzielen.
9. Übermäßiges Kornwachstum
Die mechanischen Eigenschaften eines gewalzten Rings werden maßgeblich von seiner Kornstruktur beeinflusst. Feine und gleichmäßige Körner sorgen im Allgemeinen für eine bessere Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.
Übermäßiges Kornwachstum schwächt das Material und kann die Schlagzähigkeit sowie die Betriebssicherheit beeinträchtigen.
Ursachen
Übermäßiges Kornwachstum wird häufig verursacht durch:
- Überhitzung beim Schmieden oder Walzen
- Zu lange Haltezeit im Ofen
- Falsche Wärmebehandlungstemperatur
- Wiederholte Wiedererwärmungszyklen
- Mangelhafte Prozesssteuerung
- Falsche Materialauswahl
Wenn Metall zu lange bei hoher Temperatur gehalten wird, können die Körner an Größe zunehmen. Sobald die Körner zu grob werden, erfüllt der Ring möglicherweise nicht mehr die geforderten mechanischen Eigenschaften.
Vorbeugungsmaßnahmen
Hersteller können ein übermäßiges Kornwachstum durch strenge Temperaturkontrolle verhindern.
Zu den empfohlenen Methoden gehören:
- Festlegung korrekter Erwärmungstemperaturen
- Vermeidung unnötiger Nacherwärmung
- Kontrolle der Haltezeit
- Genaue Überwachung der Ofentemperatur
- Anwendung geeigneter Wärmebehandlungszyklen
- Durchführung einer Mikrostrukturprüfung
- Prüfung der mechanischen Eigenschaften
10. Restspannung
Als Eigenspannung bezeichnet man die innere Spannung, die nach der Herstellung in einem Ring auch ohne Einwirkung einer äußeren Kraft bestehen bleibt.
Obwohl sie in der Regel nicht sichtbar ist, kann Eigenspannung zu Maßinstabilität, Rissbildung, Verformung während der Bearbeitung oder vorzeitigem Versagen im Betrieb führen.
Ursachen
Restspannungen können folgende Ursachen haben:
- Ungleichmäßige Verformung beim Walzen
- Schnelle Abkühlung nach dem Schmieden
- Temperaturgradienten bei der Wärmebehandlung
- Abschrecken
- Starke zerspanende Bearbeitung
- Ungleichmäßiger Materialabtrag
- Schweißreparatur, falls durchgeführt
- Unsachgemäßes Richten oder Korrigieren
Während der Bearbeitung können sich Restspannungen allmählich auflösen. Dies kann dazu führen, dass sich der Ring nach dem Materialabtrag verformt, wodurch es schwierig wird, enge Toleranzen einzuhalten.
Vorbeugungsmaßnahmen
Restspannungen lassen sich durch eine geeignete Prozessgestaltung reduzieren.
Zu den wirksamen Methoden gehören:
- Kontrolliertes Abkühlen nach dem Walzen
- Spannungsarmglühen
- Ausgewogene Bearbeitung von beiden Seiten
- Vermeidung übermäßiger Materialabtragung in einem Arbeitsgang
- Einsatz optimierter Schmiede- und Walzpläne
- Stabiler Temperaturausgleich ermöglichen
- Durchführung von Maßkontrollen während der Bearbeitung
Qualitätskontrollverfahren zur Erkennung von Fehlern an gewalzten Ringen
Selbst bei sorgfältig kontrollierter Produktion bleibt die Prüfung unerlässlich. Ein umfassendes Qualitätskontrollsystem trägt dazu bei, sicherzustellen, dass gewalzte Ringe vor der Auslieferung die Anforderungen hinsichtlich Maßhaltigkeit, mechanischer Eigenschaften und Struktur erfüllen.
Sichtprüfung
Sie dient zur Überprüfung auf offensichtliche Oberflächenfehler wie Risse, Falten, Gruben, Kratzer, Zunderfehler und Oberflächenverunreinigungen.
Obwohl die Sichtprüfung grundlegend ist, ist sie dennoch wichtig, da viele Fehler zunächst an der Oberfläche auftreten.
Ultraschallprüfung
Die Ultraschallprüfung wird häufig zur Erkennung innerer Fehler eingesetzt. Mit ihr lassen sich innere Risse, Hohlräume, Einschlüsse, Schichtungen und andere Unregelmäßigkeiten identifizieren.
Bei großen gewalzten Ringen oder sicherheitskritischen Bauteilen ist vor dem Versand oft eine Ultraschallprüfung erforderlich.
Magnetpulverprüfung
Ferromagnetische Werkstoffe können mit Hilfe von Magnetpulver geprüft werden. Damit lassen sich Risse an der Oberfläche und in der oberflächennahen Schicht aufspüren.
Dieses Verfahren wird üblicherweise nach dem Schmieden, der Wärmebehandlung oder der Grobbearbeitung angewendet.
Färbe-Eindringprüfung
Bei nichtporösen Werkstoffen kann die Farbstoff-Eindringprüfung eingesetzt werden, um winzige, die Oberfläche durchbrechende Fehler zu finden. Sie eignet sich für Edelstahl, Aluminiumlegierungen und andere nichtmagnetische Werkstoffe.
Maßprüfung
Die Maßprüfung stellt sicher, dass der Ring den Anforderungen der Zeichnung entspricht.
Zu den typischen Prüfpunkten gehören:
- Außendurchmesser
- Innendurchmesser
- Wandstärke
- Höhe
- Rundheit
- Ebenheit
- Konzentrizität
- Rechtwinkligkeit
- Bearbeitungszugabe
Metallurgische Prüfung
Bei der metallurgischen Prüfung werden die Materialstruktur und die Materialeigenschaften bewertet.
Dies kann Folgendes umfassen:
- Prüfung der Korngröße
- Härteprüfung
- Zugversuche
- Schlagprüfung
- Mikrostrukturanalyse
- Überprüfung der chemischen Zusammensetzung
Eine Kombination verschiedener Prüfverfahren bietet eine zuverlässigere Qualitätssicherung als die alleinige Verwendung einer einzigen Prüfmethode.