Metallografie - die wissenschaftliche + industrielle Metalluntersuchung 

In den letzten Jahren werden vermehrt alternative Werkstoffe eingesetzt (Kunststoffe, Keramik, Kohlefaser-Verbundwerkstoffe, etc.).

Daher wandelt sich der Begriff Metallografie mehr und mehr zur "Materialografie".

Probenpräparation in der Metallografie

Aus mineralischen Zusammenschlüssen kennt man die kristallinen Formen wie z. B. nichtmetallische Kristalle: Salze, Quarzkristalle oder Edelsteine bis hin zu Diamanten. Diese kristalline Form ist auch in Metallen vorhanden.

Um Metalle zu untersuchen, ist eine mechanische Bearbeitung erforderlich, da meist nicht interessiert, wie die Oberfläche des Materials beschaffen ist, sondern die innere Struktur beurteilt werden muss. Für die Metallografie wird das Werkstück getrennt, meist eingebettet und danach geschliffen und poliert. Unter dem Lichtmikroskop werden bei 50- bis 1.000-facher Vergrößerung die Gefüge-Ausbildung, die metallischen Anteile, deren Bindung zu anderen Bestandteilen, die Kristall-Ausbildung (z. B. bei Guss: Kugelgraphit / Lamellengraphit), Korngrößen, Korngrenzen und mögliche Wärmeeinflüsse (Schweißnahtprüfung) analysiert.

Für diese Beurteilung des Gefüges muss die Probe präpariert werden. Diese Präparation ist eine "Wissenschaft" für sich und bedarf großer Erfahrung und sorgsamer Auswahl der verwendeten Verbrauchsmaterialien. Durch eine falsche Präparation können die Eigenschaften des Präparates, zum Beispiel durch Oberflächenverhärtung, verfälscht werden. Unter Metallografie versteht man die materialschonende Probenpräparation (Trennen, Einbetten, Schleifen und Polieren des Werkstücks) und die anschließende quantitative und qualitative Gefügeanalyse / Gefügeuntersuchung.

Zudem ist die metallografische Probenpräparation die Grundlage für weitere Untersuchungen. So bedarf z. B. die Härteprüfung nach Vickers einer metallografischen Probenpräparation bis hin zur "spiegelnden" Oberfläche (Voraussetzung für die exakte optische Vermessung des Vickers-Eindrucks). Außerdem wird zum Beispiel der Reinheitsgrad bestimmt.

Metallografisches Trennen

Um die Materialeigenschaften im Inneren des Werkstücks betrachten zu können, muss der Prüfling zunächst zerteilt werden. Bei diesem Trennvorgang muss ausgeschlossen sein, dass durch den Trennvorgang an der Schnittstelle ein Wärmeeinfluss und damit eine Veränderung an dem Material / dem Gefüge / der Struktur entstehen.

Daher ist es zwingend erforderlich, dass die Trennung ohne Hitzeentwicklung erfolgt. Um dies zu gewährleisten, verwendet man in der Metallografie spezielle Nasstrennschleifmaschinen. Die für diese Aufgaben konzipierten Maschinen besitzen ein Umlauf-Kühlsystem, bei dem die Schnittstelle während des Trennvorgangs mit einer großen Menge an Kühlwasser versorgt wird. Zudem werden, je nach Härte des Materials, spezielle Korund- oder gar Diamant-Trennscheiben verwendet.

Obwohl die Schnittfläche nach diesem Trennschnitt augenscheinlich bereits eine fast spiegelnde, sehr glatte Oberfläche aufweist, sind weitere metallografische Präparationsschritte erforderlich. Je nach Anforderung an die Untersuchung werden aus großen Werkstücken kleine Segmente (Größe: Würfelzucker) herausgetrennt. Der Sinn dieser Segmentierung ist, dass diese kleinen Werkstoffabschnitte (wie Stifte, kleine Schrauben, Muttern u. a.) meist eingebettet werden müssen.

Metallografisches Einbetten

Kleine Werkstücke oder Segmente großer Werkstücke werden meist eingebettet. In Europa sind Einbettungen mit einem Durchmesser von  30 | 40 | 50 mm üblich. Sinn dieser Einbettung ist, dass die eingebetteten Proben besser handhabbar sind. Durch die nach der Einbettung einheitliche Probenform können diese in standardisierte Aufnahmen gespannt und auf Schleif- und Poliermaschinen automatisiert geschliffen und poliert werden. Aber auch für eine Handpräparation ist eine Einbettung sinnvoll, um kleine Proben besser fassen zu können und bessere Schleif- und Polierergebnisse zu erzielen. Zudem werden Verletzungen durch Schleifmittel verringert.

Im Grundsatz unterscheidet man die Kalteinbettung und die Warmeinbettung. Bei der Kalteinbettung werden die Proben mittels Zweikomponenten-Kunststoffen eingegossen. In ein Pulver wird ein Härter eingerührt und über die Probe, die sich in einer Einbettform befindet, gegossen. Nachdem das Epoxidharz  mit dem Härter reagiert, härtet diese anfänglich honigdicke Einbettmaße innerhalb von ca. 10 – 15 Minuten aus. Danach wird die fertig eingebettete Probe aus der Einbettform herausgelöst.

Die Warmeinbettung wird ohne Einbettform vorgenommen. Die Probe wird direkt auf den Kolben einer Einbettpresse aufgestellt. Der Kolben / Zylinder hat dabei einen Durchmesser von 30 | 40 | 50 mm. Nun wird der Kolben ca. 50 mm nach unten in den Zylinder abgesenkt. In den Zylinder wird ein sich durch Hitze verflüssigender thermoplastischer Kunststoff eingefüllt. Evtl. wird ein zusätzlicher Zwischenkolben eingesetzt, um eine zweite Probe gleichzeitig einbetten zu können. Nachdem auch die zweite Kammer befüllt wurde, wird der Zylinder verschlossen, das Thermoplast erhitzt und eingeschmolzen. Zusammen mit einer hohen Druckbeaufschlagung entsteht so eine perfekt eingebettete Probe, die frei von Lufteinschlüssen ist und die Probe spaltfrei umschließt.

Die Dauer der Einbettung ist bei beiden Methoden ähnlich lang. Allerdings können bei der Kalteinbettung gleichzeitig mehr Proben eingebettet werden, indem eine größere Menge Einbettmasse angerührt wird. Hingegen ist das Einbettmittel für eine Warmeinbettung deutlich günstiger und die Einbettqualität (gerade für die weitere Verarbeitung) ist qualitativ hochwertiger. Zudem weisen die Stirnflächen der eingebetteten Probe zueinander eine perfekte Parallelität auf (wichtig für die Mikroskopie und Vickers-Härteprüfung von Einhärtetiefeprüfung).

Metallografisches Schleifen der Probe

Zum Schleifen und Polieren wird eine Schleifmaschine mit extrem ruhigem Lauf und einem Wasserzulauf und -ablauf verwendet (z. B. METKON Typ FORCIPOL 1V). Hinweis: Je höher die Güte des vorausgegangenen Trennschnittes (Trennschleifmaschine), desto geringer ist der Aufwand für das anschließende Schleifen und Polieren.

Althergebracht werden zum Planen und Schleifen SiC-Schleifpapiere in mehreren, feiner werdenden Körnungen genutzt. Üblich sind Schleifpapiere in den Körnungen:

  • Schleifen zum Planen: 180, 320
  • Schleifen zum Feinschleifen: 600, 800, seltener 1.000, 1.200 oder gar 2.000

Am weitesten verbreitet sind hierfür immer noch Schleifpapiere, die lose auf eine Schleifscheibe aufgelegt und mit einem Klemmring fixiert werden. Neben der Klemmung wirkt eine zusätzliche Haftung durch einen Wasserfilm (Adhäsion) unter dem Schleifpapier.

Alternativ können Schleifpapiere mit selbstklebendem Rücken verwendet werden. Diese werden meist auf einer Blech-Trägerscheibe aufgeklebt, die wiederum auf die Schleifscheibe mit aufgeklebter Magnetfolie aufgelegt wird. Die Magnetkraft zwischen Schleifscheibe und Trägerplatte sorgt für ausreichenden Halt des Schleifpapiers.

Seit einigen Jahren wechselt hier aber die Systematik: Eine dauerhaft "klebrige" Haftkontaktscheibe aus speziellem, weichem Kunststoff wird auf die Schleifscheibe aufgeklebt. Das mit einem Kunststoffrücken beschichtete Schleifpapier "klebt" auf dieser Haftkontaktscheibe sehr sicher und braucht nicht mehr geklemmt werden. Lässt einmal die Haftkontaktscheibe nach, wird diese mittels reinem Wasser abgewaschen und erreicht dauerhaft erneut diese haftende Eigenschaft. Je nach mechanischer Abnutzung, muss diese Scheibe aber dann doch irgendwann ausgetauscht werden.

Sofern die Materialien eine gewisse Mindesthärte aufweisen (< 30 HRC), können heute so genannte Diamantschleifscheiben eingesetzt werden. Diese besitzen in Kunststoffe eingebettete synthetische Diamantkörner. Die Standzeiten dieser Schleifscheiben sind deutlich höher als bei Schleifpapier (ca. 300 – 500 Schleifpapiere je Scheibe und mehr) und verringern zudem den Aufwand des dauernden Wechsels des Schleifpapiers wegen Verschleiß (stumpfes Schleifpapier).

Ab einer Härte von >55 HRC können Diamantschleifscheiben mit in Nickel gebundenen Diamanten verwendet werden. Durch die starre Bindung mit fest stehendem Diamantkorn entsteht eine extrem hohe Abtragsleistung.

Je nach Werkstoff kann diese Präparation unterschiedliche Schritte und Verbrauchsmaterialien erfordern: Weicher Stahl, Kupfer, Aluminium etc. erfordern immer die Verwendung von Schleifpapier, da diese weichen Werkstoffe die Poren einer Diamantschleifscheibe sofort zusetzen.

Immer noch weit verbreitet ist die Handpräparation. Dabei wird die (große oder eingebettete) Probe per Hand auf das rotierende SiC-Schleifpapier aufgedrückt, bis der gewünschte Abtrag erzielt wurde. Sodann erfolgen in mehreren Schleif- und Polierstufen weitere Bearbeitungsschritte nach dem Wechsel zum nächstfeineren Schleifpapier oder durch Polieren.  

Metallografisches Polieren

Der feinste Abtrag der Materialien erfolgt durch ein abschließendes Polieren der durch Schleifen vorbereiteten Flächen. Zum Polieren werden Gewebetücher unterschiedlicher Dichte verwendet. Auf diese Poliertücher werden Diamant-Suspensionen mit unterschiedlich großen Synthetik-Diamanten (je nach Erfordernis Körnungen 6 µm | 3 µm | 1 µm | 0,3 µm) und Lubrikant (Schmiermittel) aufgetragen. Oft werden auch Kombinationen aus Diamant-Schleifmittel und Schmiermittel (so genannte Suspensionen) verwendet. Extrem wichtig ist beim Polieren, dass die Proben nach jeder Polierstufe sehr gut unter Wasser gereinigt werden, um gröbere Schleifpartikel nicht in die nächste Polierstufe einzutragen.

Je feiner die Polierstufe sein soll, desto kleinere Diamantkörner und dichtere Poliertücher nutzt man. Durch die größere Dichte der Poliertücher (feinere Maschen) wird verhindert, dass die kleineren Diamantkörner gänzlich im Gewebe einsinken, um so mit dem herausragenden Teil eine Abtragsleistung zu erreichen. Ziel ist eine feinstpolierte, kratzerfreie Oberfläche.

Diese wird unter anderem benötigt, um durch eine anschließende Ätzung z. B. die Korngrenzen oder Einschlüsse sichtbar zu machen (Korngrenzen: siehe Foto auf dieser Seite ganz oben rechts). Eine ähnlich feine Polierstufe ist ebenfalls für die Vickers- Härteprüfung erforderlich.

Ziel der Metallografie ist die Mikroskopie und / oder Härteprüfung

Die mikroskopische Untersuchung wird zunächst bei geringer Vergrößerung begonnen. Je nach Erfordernis werden dann höhere Vergrößerungen verwendet. Für eine Beurteilung von Metallen sind Vergrößerungen von 50x, 100x, 200x, 400x, 500x üblich und ausreichend. In seltenen Fällen ist eine Vergrößerung bis zu 1000x erforderlich. Bei 1000x Vergrößerung bewegt man sich aber schon im Grenzbereich des technisch machbaren für Auflichtmikroskope.

Gerade für die Härteprüfung nach Vickers sind feinstgeschliffene und -polierte Metalloberflächen extrem wichtig, da die Auswertung nach Vickers mit einem Mikroskop erfolgt.

Metallografie - Gefügeanalyse Korngrößenbestimmung

Metallografie - Untersuchung der Metallstrukturen
In der Metallografie erfolgt die Korngrößenbestimmung z. B. mit dem Linienschnittverfahren.

METACUT
Nass-Trennschleifmaschine 

Trennschleifmaschine METACUT M251

SERVOCUT
Nass-Trennschleifmaschine 

Fahrschnitt - Nasstrennschleifmaschine SERVOCUT 301AA

Metallografie warm eingebettete Proben

metallografisch warm eingebettete Proben

ECOPRESS 100 Warmeinbettpresse

ECOPRESS 100 Warmeinbettpresse

FORCIPOL Schleifmaschine Poliermaschine

FORCIPOL Schleif- + Poliermaschine
Die FORCIPOL Schleif- + Poliermaschine mit Probenbeweger kann bis zu 6 Proben gleichzeitig schleifen

FORCIMAT
Probenbeweger

FORCIMAT Probenbeweger

FORCIMAT
Probenwechsel

Entnahme eingebetteter Proben aus einem Probenhalter

Mikroskopie

Auflichtmikroskop