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Organisationseinheit der BAM
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Am 9. Juli 2008 entgleiste ein Hochgeschwindigkeits-Triebzug der Baureihe 403, ICE3, bei der Ausfahrt aus dem Kölner Hauptbahnhof. Ursache dafür war der Schwingbruch einer Radsatzwelle. Im Auftrag der Staatsanwaltschaft Köln untersuchte die BAM die Schadensteile, insbesondere die gebrochene Treibradsatz-Hohlwelle.
Zunächst wurden das Drehgestell, der Antriebsstrang, die Räder, die Bremsen und die gebrochene Radsatzwelle visuell untersucht und deren Zustand dokumentiert.
Anschließend erfolgte die zerstörungsfreie Prüfung der beiden Bruchstücke der Hohlwelle mit teilmechanisierter Ultraschall-Handprüfung.
Vor der Zerlegung der Radsatzwelle wurden ausgewählte Maße kontrolliert und die Oberfläche eingehend untersucht. Nach der Probenahme und Präparation wurden die relevanten spezifizierten Eigenschaften des Wellenwerkstoffs überprüft.
Mittels Bruchflächenanalyse konnte die Startstelle des Schwingrisses lokalisiert, aufgrund der starken Sekundärschäden auf der Bruchfläche und an den Bruchkanten jedoch nicht direkt ausgewertet werden. Durch die Kombination von Mikro-Computertomographie und Ultraschall-Tauchtechnik wurden u. a. nahe der Schwingriss-Startstelle Inhomogenitäten erkannt, die durch metallographische Zielpräparation als nichtmetallische Einschlüsse identifiziert wurden. Die Größe dieser Einschlüsse ist gemäß gefordertem Reinheitsgrad unzulässig. Vergleichbare Einschlüsse in diesem hochbeanspruchten Bereich der Radsatzwelle haben vermutlich den Schwingriss initiiert.
Die Ultraschallprüftechniken zur Bestimmung des Reinheitsgrades
von Stählen gewinnen immer mehr an Bedeutung, erkennbar u.a. auch am Stahl-
Eisen-Prüfblatt SEP 1927 "Ultraschall-Tauchtechnik-Prüfung zur Bestimmung des
makroskopischen Reinheitsgrades von gewalzten oder geschmiedeten Stäben aus
Stahl". Muss aber der mikroskopische Reinheitsgrad bestimmt werden, so müssen
die hier vorgeschlagenen Prüftechniken versagen, da die Ultraschallprüfung als
integrales Verfahren alle Reflektoren, die sich innerhalb eines Schallbündels
befinden, erfasst und diese als einen entsprechend großen Reflektor darstellt. Daher
bietet sich als Lösung - wenn überhaupt - nur die Verwendung von stark fokussierten,
hochfrequenten Prüfköpfen an.
Die durchgeführten Messungen haben dies bestätigt, so dass es durchaus möglich
ist, mit einer geeigneten Ultraschall-Messtechnik den mikroskopischen Reinheitsgrad
von Stählen zu bestimmen. Die erzielbare Genauigkeit hängt aber im
Wesentlichen davon ab, wie hoch die Anzahl der Einschlüsse pro Volumenanteil ist,
also letztendlich vom Schallbündeldurchmesser.
Rundlaufende Hochleitungs-Werkzeuge mit wendelförmigen
Kühlkanälen, wie Bohrer und Fräser, bestehen aus pulvermetallurgisch
hergestelltem Hartmetall. Bei diesem Herstellungsprozess wird die Formmasse in
einem sehr plastischen Zustand durch spezielle Schneckenstrang-Pressen, in denen
sich auch die Formungsteile für die Kühlkanäle befinden, gedrückt. Bedingt durch
diesen Herstellungsprozess der Rohlinge, können an der Oberfläche und, was
besonders unangenehm ist, auch an den Kühlkanälen kleine Risse entstehen, die die
Festigkeit bzw. Haltbarkeit des Werkzeuges herabsetzen. Daher werden die
Rohlinge mit Ultraschall geprüft.
Diese Prüfung kann bei größeren Wanddicken (größer 10-12 mm) und max. 2
Kühlkanälen noch mit "normalen" Ultraschall-Prüfgeräten in einem Tauchbecken
erfolgen, wobei der Prüfkopf mit einer ausreichenden Wasservorlaufstrecke über
den sich drehenden Rohling geschoben wird. Wird der Durchmesser des Rohlings
kleiner oder besitzt er mehr als 2 Kühlkanäle, ist es für den Prüfer nicht mehr
möglich, Fehler- von Formanzeigen zu unterscheiden. Abhilfe bieten in diesem Fall
die bildgebenden Ultraschall-Techniken, wie z. B. der Volumenscan.
Der Volumenscan ist ein um eine zusätzliche Koordinate erweitertes B- oder TDBild.
Daher ist er in seiner Gesamtheit auch nur 3-dimensional darstellbar, oder, was
bezogen auf die Auswertung große Vorteile bringt, die 2-dimensionalen Bilder der
zusätzlichen Koordinate werden in einer Art Videosequenz durchgescrollt. Die
aufgenommenen Amplituden sind farbcodiert.
Die Wirkungsweise des Volumenscans wird am Beispiel der Prüfung von
Hartmetall-Rohlingen mit wendelförmigen Kühlkanälen für Hochleistungswerkzeuge
gezeigt und erläutert.