Zerstoerungsfreie_Pruefverfahren

stahl und eisen 131 (2011) Nr. 8

Internet-PDF aus „stahl und eisen“ 131 (2011), Heft 8, Seiten 73 - 82

© 2011, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf

Werkstoff und Fertigung

Zerstörungsfreie Prüfverfahren für

Langprodukte — aktueller Stand

Non-destructive testing of steel long products — current status

Axel Stüber, Martin Waltner, Bernd Bäcker, Hilmar Jung, Herbert Schifferl und Ingo Steller

Die Oberfl ächengüte von Stabstahl und Walzdraht hat einen wesentlichen Einfl uss auf die Qualität der Endproduk-

te wie beispielsweise Gesenkschmiedestücke, Kaltmassivumformteile und Schrauben. Mit Blick auf die steigenden

Anforderungen der Anwender wurden die heutigen Möglichkeiten und Grenzen der Inlineprüfung auf Oberfl ächen-

und Innenanzeigen ermittelt. Dieser Bericht ist das Ergebnis einer Gemeinschaftsarbeit im Werkstoffausschuss des

Stahlinstituts VDEh, Fachausschuss für legierte Baustähle.

The surface quality of steel bar and wire rod has a considerable infl uence on the quality of the fi nal products, e. g.

closed die forgings, cold forgings and bolts. With respect to the increasing customer requirements the current poten-

tials and limits of in-line testing for surface and internal discontinuities have been determined. This report is the

result of joint work within the Materials Committee of the German Steel Institute VDEh, technical committee for

alloyed structural steels.

Langprodukte aus legierten Baustählen — Stab-stahl und Draht — werden zu einem großen Teil

als Vormaterial für die Herstellung anspruchsvol-ler Bauteile für die Automobilindustrie verwendet. Hierzu zählen Common-Rail-Injektoren und Ver-teilerleisten, Fahrwerkskomponenten, Teile des An-triebsstranges, aber auch Wälzlager und hochfeste Schrauben, um nur einige zu nennen. Die immer leichter konstruierten Bauteile werden zugleich im-mer höher belastet. Dabei werden die Werkstoffe häufi g bis an ihre Grenzen ausgenutzt. Im Extrem-fall können bereits kleinste, fertigungstechnisch kaum vermeidbare Fehlstellen im Stahl zum Aus-fall einzelner Bauteile führen. Vielfach treten die-se Ungänzen erst bei der Fertigung der Bauteile in Erscheinung, was oft zum Anlass genommen wird, ganze Lieferungen zu reklamieren.

Die Stahlhersteller setzen modernste Fertigungs-technik ein und sorgen für technisch konstante Produktionsbedingungen. Die wesentlichen Pro-zessparameter werden in der Regel mithilfe von Automatisierungssystemen eingestellt, überwacht und geregelt. Bei Abweichungen von den gesetzten Vorgaben werden automatisch oder manuell Maß-nahmen ergriffen. Die entsprechenden Chargen werden gekennzeichnet und anschließend einer eingehenderen Überprüfung unterzogen. Dennoch entstehen auch bei optimaler metallurgischer Arbeit kleinste nichtmetallische Einschlüsse, die jedoch am Vormaterial mit der eingesetzten, mo-

Auf modernen Anlagen werden Langprodukte als Vormaterial für die Herstellung anspruchsvoller Bauteile für die Automobilindustrie hergestelltState-of-the-art long product plants produce material for the production of advanced parts for the automotive industry

Foto: böhler


Technik + Trends


dernen Inlineprüftechnik kaum erkannt werden können. (Unter Onlineprüftechnik versteht man eine Prüfung beispielsweise im Walzprozess, unter Inlineprüftechnik versteht man eine Prüfung auf automatisierten Prüf linien.) Nur durch Sonder-untersuchungen und zerstörende Prüfungen kön-nen Aussagen hinsichtlich des Qualitätsstandes gemacht werden. Es handelt sich dabei um statis-tisch durchgeführte Prüfungen, deren Aussagekraft begrenzt ist. Der Stahlhersteller entscheidet dann, ob die Charge freigegeben werden kann. Eventuell ist eine Nacharbeit möglich. Im ungünstigsten Fall muss die betroffene Charge verworfen werden.

Viele Stahlanwender fordern wegen der bekann-ten negativen Auswirkungen von Einschlüssen einen hohen Reinheitsgrad des Stahls. Für besondere Rein-heitsanforderungen müssen aufwendigere Prozesse wie das Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESU) gewählt werden. Es ist jedoch ein Irrtum, anzuneh-men, dass ein solches Material einschlussfrei ist.

In einschlägigen Normen wie z. B. DIN EN 10221 sind Qualitätsklassen definiert, denen maximal zulässige Ungänzen zugeordnet sind. Hierbei ist es von großer Bedeutung, die Qualitätsklasse ent-sprechend der späteren Anwendung auszuwäh-len. Die Wahl einer höheren Qualitätsklasse führt nicht zwingend zu einer weiteren Absenkung der Fehlerquote beim Stahlanwender. Aufgrund des eventuell höheren Prüfaufwandes und des höheren Ausschuss anteils steigen dann lediglich die Ferti-gungskosten und somit die Materialpreise, da das beim Stahlhersteller verschrottete Material noch problemlos beim Stahlanwender hätte verarbeitet werden können.

Ein vollständiger Ausschluss von Ungänzen im Vormaterial ist mit der heutigen Prüftechnik aus physikalischen Gründen und den gegebenen wirt-schaftlichen Randbedingungen nicht erreichbar. Diese Gründe werden nachfolgend für die einzelnen Prüfverfahren erläutert.

Das Ziel dieser Veröffentlichung ist es, die heuti-gen Möglichkeiten und Grenzen der Inline-Prüfung auf Oberfl ächen- und Innenanzeigen darzustellen. Stichprobenartige Prüfverfahren wie beispielswei-se die Ultraschall-Tauchtechnik-Prüfung nach SEP 1927, die ebenfalls ihre Berechtigung haben, stehen daher nicht im Mittelpunkt dieser Betrachtung.

Klassifi zierung von Ungänzen und KonsequenzenBeim Auftreten von Ungänzen sind drei verschie-

dene Szenarien möglich:

Ungänzen, die außerhalb einer vereinbarten Spezifi kation liegen. Vormaterial mit solchen Un-gänzen wird generell aussortiert bzw. nachgearbei-

tet. Jedoch kann es in Einzelfällen vorkommen, dass solche Ungänzen unerkannt bis zum Verarbeiter ge-langen. Dieser muss dann aufgrund seiner Verant-wortung sicherstellen, dass die betroffenen Bauteile aussortiert werden.

Manche Ungänzen lassen sich noch nachträglich entfernen, sofern dies von dem Verarbeitungsver-fahren bzw. vom konkreten Bauteil toleriert werden kann. Dies wird in der Regel zwischen Stahlherstel-ler und -verarbeiter bzw. -anwender vereinbart. Ist dies nicht möglich, kann das fehlerhafte Vormate-rial zurückgewiesen werden.

Ungänzen, die innerhalb einer vereinbarten Spezifi kation liegen. Damit sollte der Anwender im Regelfall auskommen können, denn die Spe-zifikation wurde zuvor mit dem Stahlhersteller vereinbart. Bei veränderten Rahmenbedingungen – beispielsweise einer verlängerten Garantiezeit des Endprodukts – müssten die Größen der Ungänzen ggf. im Hinblick auf die geänderte Produktlebens-dauer neu bewertet werden, um vorzeitige Ausfälle zu vermeiden. Eine Zurückweisung des betroffenen Vormaterials ist nicht berechtigt, da die vereinbarte Spezifi kation einwandfrei erfüllt wurde.

Ungänzen, die nicht nachweisbar sind. Manche Ungänzen können selbst mit den besten heutigen zerstörungsfreien Inlineprüfverfahren nicht nach-gewiesen werden. Ihre Existenz lässt sich entwe-der gar nicht oder nur mithilfe stichprobenartig angewendeter, zerstörender Prüfverfahren wie z. B. Kalt- und Warmstauchversuch, Stufendrehprobe, Metallografi e, Rasterelektronenmikroskopie bele-gen. Manche Ungänzen, wie etwa kleinste mikros-kopische Einschlüsse, Seigerungen, Mikroporositä-ten etc., haben in aller Regel keinen signifi kanten Einfl uss auf die Produktlebensdauer.

Auch wenn es gelingt, durch konsequente Wei-terentwicklung der heutigen Prüfverfahren deren Empfi ndlichkeit zu erhöhen, wird es auch weiter-hin nicht nachweisbare „Restfehler“ der letztge-nannten Kategorie geben.

Charakteristika von Oberfl ächen- und InnenungänzenDie folgenden prinzipiellen Arten von Ungänzen

können an Stabstahl und Walzdraht auftreten. Sie lassen sich anhand ihres Aussehens und ihrer Ausdehnung charakterisieren und zeichnen sich durch ein charakteristisches Abstrahlverhalten aus. Eine Beschreibung der wichtigsten Fehlerarten einschließlich deren Entstehungsursachen wird im Fehlerkatalog für Walzdrahtfehler gegeben.

Die wichtigsten Arten oberfl ächennaher Ungän-zen sind:


Oberfl ächenrisse entstehen überwiegend in der Stranggießanlage, und zwar während der Strang-schalenbildung in der Kokille und der nachfolgen-den Strangführung sowie im kritischen Bereich der Strangrückbiegung. Durch eine inhomogene Verteilung bzw. ungleichmäßiges Einziehen des aufschmelzenden Gießpulvers können lokal un-terschiedliche Abkühlbedingungen bei der Strang-schalenbildung entstehen. Die daraus resultieren-den thermischen Spannungen können von der soeben gebildeten Strangschale nicht aufgenom-men werden.

Je nach weiterer Belastung und Umgebungs-atmosphäre können diese offenen Oberfl ächenrisse wieder zusammengedrückt und ganz oder teilweise verschweißt werden. (Arten: Kurzrisse, Längsrisse, Querrisse). Auch das Rückbiegen in Bogenstrang-gießanlagen kann für manche Werkstoffe kritisch sein.

Überwalzungen entstehen im Walzwerk, wenn der Stahl bei der Umformung nicht wie erforder-lich gestreckt wird, sodass das Kaliber überfüllt wird und im nachfolgenden Stich das ausgetretene Material einseitig oder sogar beidseitig umgelegt und eingewalzt wird. Mögliche Ursachen sind eine ungünstige, inhomogene Temperaturverteilung oder Ungenauigkeiten in der Führung der Walz-ader.

Schalen, Splitter. Die Schalenbildung ist eine schwache Überwalzung, die in den nachfolgenden Umformschritten immer fl acher ausgewalzt wird. Grund für Schalen und Splitter sind in der Regel Bereiche, in denen ein ungenügendes Verformungs-vermögen vorliegt und die nachfolgend punktuell aufreißen.

Mechanische BeschädigungenAußerdem unterscheidet man die folgenden Ar-

ten von innen liegenden Ungänzen, wie z. B. Riefen, Kratzer etc.

Nichtmetallische Einschlüsse wie Oxide und Sulfi de entstehen bei der metallurgischen Arbeit in der Stahlschmelze. Die wesentliche Ursache für die Bildung von Oxiden ist die Legierung der Stähle mit Aluminium, das z. B. zum Erreichen der Feinkornbeständigkeit benötigt wird. Durch den erforderlichen Aluminiumgehalt ergibt sich ein sehr niedriges Sauerstoffpotenzial in der Schmel-ze. Weniger stabile Oxide, die sich im Feuerfest-material befi nden können, werden dann reduziert und bilden Aluminiumoxide. Es gibt noch weite-re Gründe für die Bildung von nichtmetallischen Einschlüssen, die hier nicht aufgezeigt werden.

Dies zeigt, dass ein hoher Aufwand zum Schutz der Stahlschmelze vor Sauerstoffzutritt getrieben werden muss. Aufgrund ihrer andersartigen Zu-sammensetzung, Kristallstruktur und sonstiger physikalischer Eigenschaften refl ektieren die Ein-schlüsse die Ultraschallwellen. Die Einschlussarten (Oxide, Sulfi de, etc.) unterscheiden sich in ihrem Refl exionsverhalten, ihre Nachweisbarkeit hängt neben der Orientierung zum Ultraschall jeweils von ihrer Größe und dem mehr oder weniger inni-gen Kontakt zur Matrix ab. Aufgrund ihrer guten Verformbarkeit bei höheren Temperaturen besit-zen die Mangansulfi de einen sehr guten Kontakt zur Matrix und sind deswegen mittels Ultraschall nur schwer zu detektieren.

Bei Lunkern und Porositäten handelt es sich um Hohlräume, die während der Erstarrung entstehen und auch beim nachfolgenden Walzen nicht voll-ständig geschlossen werden. Für gewöhnlich lassen sich diese Ungänzen durch Ultraschallprüfung sehr gut fi nden.

Prüfverfahren für gegossenes HalbzeugDie Prüfung von gegossenem Halbzeug (Roh-

strang) bezieht sich im Folgenden nur auf Knüp-pelstrangguss. Sie ist nicht auf großformatigen Vor-blockstrangguss übertragbar, der fertigungsbedingt eine gröbere Oberfl ächenstruktur aufweist, die erst in den nachfolgenden Umformschritten vergleich-mäßigt wird.

Aussagen über Seigerungen, Einschlüsse, Kern-fehler und Innenrisse können nur anhand von Stichprobenuntersuchungen an Strangabschnitten gewonnen werden, da eine Ultraschallprüfung auf innere Ungänzen aufgrund der groben Gussstruk-tur und der Oberfl ächenbeschaffenheit nicht sinn-voll durchführbar ist.

Schwefelabdrücke und Beizscheiben sind übliche Verfahren der Prüfung auf Seigerungen, Kernfehler und Innenrisse. Blaubruchprüfung, Stufendrehpro-ben und Ultraschall-Tauchtechnik-Prüfungen nach SEP 1927 an speziell umgeformten Proben dienen der Beschreibung der Gehalte an nichtmetallischen Einschlüssen [1]. Eine Überprüfung auf Oberf lä-chenungänzen kann mittels Magnetpulverprüfung (nass / trocken) durchgeführt werden. Allerdings ist die hier erreichbare Prüfempfi ndlichkeit aufgrund der rauen Oberfl äche und der Oszillationsmarken nicht annähernd mit derjenigen beim umgeform-ten Material vergleichbar.

Oberfl ächenprüfverfahren für StabstahlNachfolgend werden die verschiedenen Prüfver-

fahren einschließlich ihrer physikalischen Grund-lagen beschrieben.


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Wirbelstromprüfung. Bei der Wirbelstromprü-fung wird die Oberf läche des zu prüfenden Ma-terials einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, Bild 1 . Hier spielt die elektrische Leitfä-higkeit des Werkstoffs eine große Rolle. Das Wech-selfeld erzeugt eine elektrische Spannung, sodass in der Oberfl äche des Materials ringförmige Wir-belströme entstehen. Diese erzeugen magnetische Wechselfelder, die ihrerseits elektrische Spannun-gen in einer Messspule erzeugen. Diese Spannun-gen werden gemessen und elektronisch verarbeitet. Treffen die oberf lächennahen Wirbelströme auf ein Hindernis, etwa eine Oberfl ächenungänze, so werden sie abgelenkt. Diese Ablenkung sorgt für eine höhere Spannung in der Messspule und wird entsprechend als über dem Rauschen und der Feh-lerschwelle liegende Anzeige registriert.

Die Eindringtiefe der Wirbelströme hängt von der Frequenz des angelegten Wechselfeldes und den elektromagnetischen Eigenschaften des zu prüfen-den Werkstoffes ab. Üblicherweise werden Prüffre-quenzen zwischen 30 kHz und 3 MHz eingesetzt. Neben ferromagnetischen Werkstoffen können auch nichtmagnetische austenitische Stähle geprüft

werden. Allerdings werden die Prüffrequenzen ent-sprechend der unterschiedlichen physikalischen Ei-genschaften gewählt.

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten zur Wirbelstromprüfung: zum einen die Prüfung mit-tels Durchlaufspule und zum anderen die Prüfung mittels Sonden, die das Prüfgut umkreisen und eine Prüfhelix auf der Prüfgutoberfl äche abdecken. Bei den rotierenden Wirbelstromsonden handelt es sich um ein berührungsfreies Prüfverfahren. Wegen der physikalischen Gegebenheiten verringert sich das Fehlersignal stark mit zunehmendem Sondenab-stand. Aber auch eine Verringerung des Sondenab-standes muss ausgeglichen werden, um die Prüf-schärfe nicht unnötig zu erhöhen. Deshalb muss über eine Abstandskompensation die Signalhöhe korrigiert werden. Damit kann sowohl der Einfl uss einer nicht idealen Prüfgutposition relativ zu dem Mittelpunkt der Kreisbahn der Sonden als auch der Einfl uss von Ovalitäten ausgeglichen werden.

Zur Detektion quer orientierter Ungänzen wer-den Durchlaufspulen eingesetzt, weil der indu-zierte Wirbelstrom senkrecht zu dem erwarteten Fehlertyp strömt und daher ein maximales Signal erzeugt werden kann, Bild 2 . In der Kaltprüfung wird das Prüfgut zusätzlich aufmagnetisiert, um die Nachweisempfi ndlichkeit zu verbessern. Damit der Stahlanwender keine Verarbeitungsprobleme bei der Zerspanung bekommt, müssen die Stangen im Durchlauf wieder entmagnetisiert werden. Da-bei ist zu beachten, dass die Entmagnetisierungs-zeit durchmesserabhängig ist. Das bedeutet, dass bei dickeren Abmessungen die Prüfgeschwindigkeit deutlich reduziert werden muss und somit die Kos-ten entsprechend steigen.

Zum Auffi nden längsorientierter Ungänzen wer-den rotierende Sonden eingesetzt. Die Prüfgeräte-hersteller arbeiten daran, die mechanisch rotieren-den Sonden durch elektronisch rotierende Felder zu ersetzen. Bis jetzt zeigen jedoch die elektronisch rotierenden Verfahren deutliche Schwächen gegen-über den konventionellen Verfahren mit rotieren-den Sonden. Bild 3 zeigt Anlagenteile einer Wir-belstromprüfanlage.

Einen großen Einf luss hat die Oberf lächenbe-schaffenheit des zu prüfenden Materials. Bei der Wirbelstromprüfung an warmgewalztem Material können Walzgrate, Abfl achungen oder Zunderan-haftungen das Prüfergebnis beeinfl ussen. Bei walz-geschältem Material können kleinste mechanische Beschädigungen, z. B. Kratzer und Riefen, zum Aus-sortieren der geprüften Stäbe führen. Außerdem können durch den Schälprozess in der Oberfl äche induzierte lokale Verfestigungen zu Unterschieden in der elektrischen Leitfähigkeit führen. Insbe-sondere sehr weiches Material kann davon betrof-

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Signal einer längs orientierten Ungänze in einer Durchlauf-spulenprüfungSignal of a longitudinally oriented discontinuity obtained by concentric coil testing technique

Bild: Institut Dr. Förster

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Prinzip der Wirbelstromprüfung mittels einer DurchlaufspuleScheme of eddy current testing with a concentric coil



fen sein. Hier ist die Spanbildung grundsätzlich schlechter als bei mittleren oder hohen Festigkei-ten. Dies zeigt sich nach der Schälmaschine durch eine rauere Oberfl äche. Diese Spitzen werden im nachfolgenden Richtpolierprozess eingewalzt, und durch die Kaltumformung des Materials entstehen lokal begrenzte, starke Unterschiede in der Verset-zungsdichte. Die Versetzungsdichte beeinfl usst die elektrische Leitfähigkeit. In den seltensten Fällen ist die Helix, die durch die Schälmesser beschrie-ben wird, identisch mit derjenigen, die durch die Prüfsonden beschrieben wird. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung des Rauschpegels, sodass sehr niedrige Risstiefen nicht mehr geprüft werden kön-nen.

Streufl ussprüfung. Das Streufl ussverfahren zur Prüfung auf oberfl ächennahe Risse arbeitet nach dem Prinzip der lokalen magnetischen Sättigung des Materials, Bild 4 . Durch Erzeugen eines mittel-frequenten Magnetfeldes im Bereich zwischen 3 000 und 12 000 Hz gelingt es unter Ausnutzung des Skineffektes, eine wenige Millimeter dicke Schicht des Stahls in die magnetische Sättigung zu bringen. Durch die magnetische Sättigung setzt der Stahl dem magnetischen Fluss einen Widerstand ent-gegen. An einem Riss oder einem Einschluss wird der magnetische Fluss aus der Materialoberfl äche getrieben und kann durch die Magnetfeldsonden detektiert werden.

Um die austretenden Magnetfeldlinien sicher detektieren zu können, müssen die Sonden auf der Materialoberfl äche gleiten, Bild 5 . Aufgrund der umlaufenden Bewegung der Sonden können im Wesentlichen nur längsorientierte, nicht aber querorientierte Ungänzen, Ausbrüche oder gar Ab-plattungen gefunden werden. Mit diesem Verfahren können nur ferromagnetische Werkstoffe geprüft werden.

Die Streufl ussprüfung, Bild 6 , ist weniger störan-fällig als das Wirbelstromverfahren und erfordert für niedrig legierte Stähle keine Berücksichtigung der chemischen Zusammensetzung. Die minimal detektierbare Länge ist von Sondenabstand und Sondenwirkbreite abhängig. Die höchste Verbrei-tung haben Sondenhebel mit Sondenabständen von 12,5 mm und Sondenwirkbreiten von 5 mm. Bei Geräten neuerer Generation können Sondenhebel mit geringeren Sondenabständen von 7,5 mm ein-gesetzt werden.

Thermografi e mit induktiver Anregung. Auch bei diesem Verfahren wird die Oberfl äche des zu prüfenden Materials einem mittelfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Die induzierten Spannungen erzeugen stärkere Wir-

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WirbelstromprüfanlageEddy current testing device

Fotos: Institut Dr. Förster

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Prinzip der Streufl ussprüfungScheme of fl ux leakage testing


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Arbeitsweise des Verfahrens mit umlaufenden SondenTesting method with rotating probes



Technik + Trends


belströme, die die Oberfl äche des Prüfstückes deut-lich erwärmen. An Rissen und oberfl ächennahen Einschlüssen kommt es dabei zu einem Wärmestau. Die Temperaturverteilung kann mit Infrarotther-mokameras oder Infrarotscannern gemessen wer-den. Dabei ist die gemessene Temperaturdifferenz — innerhalb gewisser Grenzen — proportional zur Fehlertiefe. Für die sichere Detektion kommt es auf die Aufl ösung kleinster Temperaturunterschiede an.

Die Durchlaufgeschwindigkeit wird aktuell noch von der Übertragungsrate der Thermokamera bzw. durch die Scangeschwindigkeit bestimmt; bei zu großer Geschwindigkeit verwischt unter Umstän-den das Bild, oder die Abstände zwischen den Scanspuren werden zu groß. Technisch sind noch weitere Verbesserungen der Datenverarbeitungsge-schwindigkeit möglich.

Eigenstrahlung (Infrarotstrahlung). Hierbei han-delt es sich um ein Online-Heißprüfverfahren nach Walzstraßen, z. B. für die Prüfung von umgewalzten Knüppeln oder großformatigerem Stabstahl unmit-telbar nach dem Walzprozess und vor dem Kühl-bett. Es arbeitet mit „Mono Linear Cameras“ unter Ausnutzung der Eigenstrahlung (Infrarotstrahlung) des Walzgutes. Beim Durchlauf des Knüppels durch die Prüfanlage werden alle vier Seiten jeweils von einer Kamera aufgenommen. Oberfl ächenbereiche, die eine höhere Eigenstrahlung emittieren (z. B. zunderfreie Risse), sind heller, solche mit geringe-rer Eigenstrahlung (z. B. Zunder) werden dunkler dargestellt. Anschließend werden jene Bildpunkte detektiert, die aufgrund unterschiedlicher Grausät-tigung Teil einer möglichen Oberfl ächenungänze sein könnten. Die Detektionsschwelle kann, abge-stimmt auf das jeweilige Anforderungsprofi l, ein-gestellt werden.

Im nachfolgenden Klassifikationsprozess wird über unterschiedliche Algorithmen jeder detektier-

ten Ungänze eine Vielzahl von Parametern zugeord-net. Die Klassifi zierung erfolgt durch einen Parame-tervergleich mit den bereits in der Fehlerdatenbank abgespeicherten Fehlern. Anschließend erfolgt die Zuordnung des vorliegenden Fehlers zu der Fehler-kategorie (z. B. Flächenlängsriss, Kantenlängsriss, Querriss) mit der höchsten Übereinstimmung.

Magnetpulverprüfung (Fluxen). Bei der Magnet-pulverprüfung wird ebenfalls das Prinzip des Mag-netstreufl usses genutzt, wobei zwischen Nass- und Trockenfl uxen unterschieden wird.

Beim Nassfl uxen wird auf die gereinigte oder ge-strahlte Oberfl äche eine Suspension mit feinsten (im Mikrometerbereich) magnetisierbaren Parti-keln aufgebracht, die mit einem Farbmittel umhüllt sind. Je nach Art der Farbmittel können diese unter Tageslicht (nicht fl uoreszierend) oder UV- bzw. LED-Licht (f luoreszierend) sichtbar gemacht werden. Zur Fehlererkennung wird eine Magnetisierung in Längs- und/oder Querrichtung durchgeführt, sodass an einer Fehlstelle der magnetische Fluss austritt und sich die Magnetpartikel an dieser Stelle kon-zentrieren und eine „Raupe“ bilden. Diese Pulver-raupen können dann von einem Prüfer oder einem Bildverarbeitungssystem erkannt und ausgewertet werden.

Das Trockenf luxen basiert auf den gleichen Grundlagen. Diese Prüftechnik wird industriell bei Rund- oder Vierkantmaterialabmessungen oberhalb 50 mm eingesetzt. Dabei wird der Prüfl ing mit zwei Greifern durch eine Pulverkammer gefahren, in die das fl uoreszierende Magnetpulver eingeblasen wird. Zur Prüfung auf Längsfehler wird der Prüfstrom durch die Greifer in den Knüppel eingeleitet (Selbst-durchfl utung). Zur Prüfung auf Querfehler kann sich in der Pulverkammer eine stromdurchfl osse-ne Spule befi nden, durch die der Prüfl ing gefahren wird. Danach wird in einer weiteren Kammer über-schüssiges Pulver vom Knüppel abgeblasen, sodass

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Streufl ussprüfanlage Flux leakage testing device

Foto: Institut Dr. Förster


nur die entstandenen Raupen auf dem Knüppel verbleiben. Diese werden dann entweder fixiert, sodass eine spätere visuelle Begutachtung durch einen Prüfer möglich ist, oder von einem Bildver-arbeitungssystem erkannt und ausgewertet.

Die Begutachtung von f luoreszierenden Mag-netpulveranzeigen wurde in der bisherigen Praxis unter UV-Licht durchgeführt, dessen gesundheitsge-fährdende Wirkung bekannt ist. Durch den Einsatz von LED-Leuchten und Betrachtung durch spezielle Filterbrillen lässt sich dieser Nachteil bei gleicher Prüfempfi ndlichkeit eliminieren. Gleichzeitig kann Prüfung unter Tageslicht durchgeführt werden, so-dass eine Abdunkelung entfallen kann.

Die Magnetpulverprüfung ist ein sehr empfi nd-liches Verfahren, wobei das Nassfl uxen aufgrund des feineren Magnetpulvers in der Suspension eine etwas höhere Prüfempfi ndlichkeit gestattet. Aller-dings erlaubt das Verfahren keine direkten Rück-schlüsse von Anzeigen auf die Tiefe der entspre-chenden Ungänze.

Prüfung von Blankstahl auf Oberfl ächenfehler. Die Prüfung von Blankstahl wird in dieser Veröf-fentlichung nicht behandelt. Stattdessen wird auf einschlägige Literatur [2; 3] verwiesen.

Ultraschallprüfung auf Innenfehler Die Grundlagen und Standardverfahren zur Ultra-

schallprüfung von Stäben werden in der Veröffent-lichung [2] ausführlich behandelt. Daher wird hier nicht auf diese eingegangen.

Neben den Standardverfahren auf Basis des piezoelektrischen Effekts sind mittlerweile weitere Verfahren auf dem Markt.

EMAT-Verfahren. Dieses Prüfverfahren bietet eine interessante Perspektive, da es ohne Wasseran-kopplung auskommt. Jedoch führen die benötigten starken Magnetfelder zur Ansammlung von Zun-derpartikeln oder sonstigem Abrieb mit negativen Folgen für die Prüfempfi ndlichkeit.

Für hohe Durchlaufgeschwindigkeiten, z. B. bei der Drahtprüfung bei der Weiterverarbeitung, wer-den zunehmend elektromagnetische Ultraschall-wandler (EMAT) zur Erzeugung des Ultraschalls eingesetzt. Dies ist nur in elektrisch sehr gut leitfä-higen Werkstoffen möglich und basiert auf dem Lo-renz-Effekt, dem Magnetostriktionseffekt und dem Magnetisierungseffekt. Die beiden Ersteren treten nur in ferromagnetischen Materialien auf, können also bei der Prüfung im heißen Zustand und der Prüfung nichtmagnetisierbarer Materialien nicht genutzt werden. Der Lorenz-Effekt hingegen wirkt bei allen elektrisch leitenden Materialien. Das Me-tallgitter im Prüfobjekt wird mit einem Permanent-

magneten (bei ferromagnetischen Materialien) oder einem induzierten Wirbelstrom (bei nicht magne-tisierbaren Werkstoffen) zum Schwingen gebracht. Diese Schwingungen des Metallgitters sind so ein-stellbar, dass eine bestimmte Ultraschallschwin-gung erzeugt und empfangen werden kann.

Erste Anlagen für Standardanwendungen mit Senkrechteinschallung sind im industriellen Ein-satz. Hiermit kann allerdings der Randbereich nicht geprüft werden. Für höchste Anforderungen ist die Prüfempfi ndlichkeit allerdings noch nicht ausreichend.

Fidus. Das kommerzielle Prüfsystem Fidus (Fehler-Identifi kation an Drähten und Stäben mit Ultraschall), Bild 7 , wurde am VDEh-Betriebsfor-schungsinstitut (BFI) entwickelt, um Fehler an kalten (für Stahl: bis ca. 700 °C) Drähten, Stäben und Profilen im Durchmesserbereich bis etwa 20 mm zu detektieren. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, das Material online, berührungslos (ohne Koppelmittel) und verschleißfrei mit geführ-ten Ultraschallwellen auf Innen- und Oberfl ächen-fehler zu prüfen.

Als Prüfköpfe werden elektrodynamische Ult-raschallwandler in Form von Durchlaufspulen in Phased-Array-Technik verwendet, mit denen Stab-wellen nach dem Impuls-Echo-Verfahren erzeugt und empfangen werden. Die Ausbreitung der Ul-traschallwellen ist axial gerichtet; hierdurch ist eine 100%ige Prüfung des Drahtvolumens möglich. Das Material kann als Stab oder Draht mit Schallge-schwindigkeit geprüft werden.

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Ultraschallprüfsystem für Draht Ultrasonic testing device for wire

Foto: bfi -bt


Technik + Trends


Justierung von PrüfanlagenUm die Prüfanlage möglichst genau auf die

nachzuweisenden Arten von Ungänzen einzustel-len, muss die Prüfanlage justiert werden. Hierzu kann ein Stab mit natürlichen Fehlern verwendet werden. Allerdings ist die Größe dieses Fehlers in der Regel nicht bekannt. Besser geeignet ist des-halb ein Stab mit künstlichen Fehlstellen, da diese defi niert eingebracht werden können.

Justierkörper mit künstlichen Oberfl ächenfeh-lern. Der Justierkörper enthält künstliche Fehlstel-len (Justierfehler) bekannter Ausdehnung (Länge, Breite, Tiefe), die durch Sägen, Fräsen, Bohren oder Erodieren eingebracht werden. Beispielsweise wer-den an Stabstahl Längsnuten mit Tiefen ab 200 μm — abhängig vom Durchmesser des Vormaterials — eingebracht.

Ausgehend von den Justierfehlern wird die Grenz-fehlertiefe über eine entsprechende Schwellenset-zung nach Kundenanforderung realisiert. Ungänzen mit einer Signalamplitude, die die Signalamplitude dieses Grenzwerts überschreiten, führen zu einer Aussonderung des betreffenden Stabes.

Von natürlichen Ungänzen, z. B. Rissen, unter-scheiden sich die künstlichen Fehlstellen hinsicht-lich ihres Aussehens und ihrer Abstrahlcharakteris-tik. Dies bedeutet, dass ein natürlicher Fehler mit einer Tiefe, die diejenige eines künstlichen Fehlers überschreitet, nicht zwangsläufig ausgesondert wird, da aufgrund der Abstrahlcharakteristik die Grenzfehlertiefe nicht erreicht wird.

Justierkörper mit künstlichen Innenfehlern für die US-Prüfung. Der Justierkörper enthält künstli-che Fehlstellen in Form von Flachbodenbohrungen senkrecht zur Längsachse oder Axialbohrungen pa-rallel zur Längsachse.

Flachbodenbohrungen haben einen exakt ebenen, kreisförmigen Boden, der als Refl exionsfl äche für den Ultraschall dient (sogenannter Kreisscheiben-refl ektor, KSR). Unterschiedliche Refl ektorgrößen werden durch Flachbodenbohrungen unterschied-licher Durchmesser dargestellt. Beispielsweise be-deutet KSR 1,0 mm, dass die entsprechende Flach-bodenbohrung einen Durchmesser von 1,0 mm hat.

Einfl ussgrößen auf das Prüfergebnis Um ein optimales Prüfergebnis zu erhalten, sind

verschiedene Randbedingungen zu beachten. Die wichtigsten Einfl ussgrößen auf das Prüfergebnis sind nachfolgend erläutert.

Einfl uss der Prüfgeschwindigkeit. Die Prüfung von unbewegtem Material stellt kaum ein Prob-lem dar, doch im praktischen Betrieb wird das zu

prüfende Material mit teilweise beträchtlichen Ge-schwindigkeiten bewegt. An Prüfl inien sind Durch-laufgeschwindigkeiten von 1 bis 2 m/s Standard. Bei Prüfungen im Walzprozess können bis zu 100 m/s erreicht werden.

Dies bedeutet, dass die Prüfverfahren eine hinrei-chende Abtastgeschwindigkeit haben müssen, um eine reproduzierbar nachzuweisende Grenzfehler-länge nicht über alle sinnvollen Grenzen hinweg anwachsen zu lassen.

Geometrieeinfl uss. Entscheidend für die Nach-weisbarkeit von Ungänzen sind die Art des zu prü-fenden Materials (rund, vierkant) und seine Abmes-sungen.

Bei der Ultraschallprüfung wird in der standard-mäßigen Prüfung nur ein Teil des Volumens erfasst (Kernfehlerprüfung). So wird beispielsweise in man-chen Normen noch die um 90° versetzte Prüfung auf zwei Bahnen gefordert. Teilweise fordern die Stahlanwender bei höheren Anforderungen an den Werkstoff Prüfungen der gesamten Querschnittsfl ä-che, was bei Rundmaterial durch den Einsatz von Senkrecht- und Winkelprüfköpfen möglich ist. Bei mit rotierenden Prüfköpfen durchgeführter Prü-fung ergibt sich aufgrund der Fortbewegung des Materials eine helixförmige Abtastbahn. Dadurch ergibt sich die Forderung nach einer Anzeigenmin-destlänge. Diese kann wesentlich durch eine redu-zierte Prüfgeschwindigkeit verkleinert werden, dies führt aber zu deutlich erhöhten Prüfkosten.

Bei der Vorgabe der Prüfung ist zu berücksichti-gen, dass der Ultraschall in Abhängigkeit der Mate-rialdicke geschwächt wird, sodass Material größerer Abmessungen nur mit einer geringeren Prüfemp-fi ndlichkeit sicher geprüft werden kann.

Während rundes Material relativ einfach mit rotierenden Prüfköpfen oder rotierenden Ultra-schallfeldern über die gesamte Querschnittsfl äche mit den genannten Einschränkungen geprüft wer-den kann, ist dies für Vierkantmaterial deutlich komplexer. Hier ist es nur möglich, durch eine Er-höhung der Prüfkopfanzahl ein möglichst großes Volumen zu prüfen.

Abhebeeffekte. Bei berührenden Prüfverfahren muss die Prüfsonde permanent Kontakt mit der Ma-terialoberfl äche halten. Je nach Prüfverfahren er-folgt dies durch mechanisches Andrücken der Son-de oder durch ein Koppelmittel zwischen Sonde und Oberfl äche. Bei statischer Prüfung stellt dies kein Problem dar, doch bei der Prüfung von bewegtem Material muss der Prüfkopf ständig nachgeführt werden. Bei Material, das nicht ganz gerade bzw. leicht oval ist, kann zwischenzeitlich die Messsonde leicht abheben. Während dieser kurzen Zeit werden


Ungänzen bei berührenden Prüfverfahren schlech-ter nachgewiesen.

Abstandsschwankungen zwischen Prüfgutober-fl äche und Spule. Analog zum Abhebeeffekt führt beim Durchlauf durch eine Spule beispielsweise eine Ovalität oder Ungeradheit zu lokalen Abstands-schwankungen in der Spule, was sich ebenfalls in Empfi ndlichkeitsänderungen auswirkt.

Abdeckung durch die Messsonde. Die Messsonde hat eine bestimmte Größe und erfasst nur einen Teil der Oberfl äche bzw. des Volumens des zu prü-fenden Materials. Um trotzdem das gesamte Materi-al zu erfassen, kann die Sonde auf festgelegten Bah-nen relativ zum Material bewegt werden (bewegte Sonde bzw. bewegtes Material). Eine geschlossene Helix (Bahn an Bahn) stellt sicher, dass kein unge-prüfter Bereich entsteht.

Aus technischen Gründen verbleibt beim Ein- bzw. Auslauf des zu prüfenden Materials in bzw. aus der Prüfanlage ein bestimmtes ungeprüftes Vo-lumen an den Enden eines Stabes. Dieses Volumen ist vom angewendeten Verfahren und der Prüfan-lagenkonzeption abhängig.

Gefüge des Werkstücks. Das Gefüge des zu prü-fenden Materials hat ebenfalls einen Einfl uss auf das Prüfergebnis. Dies ist insbesondere bei der Ultra schallprüfung und Wirbelstromprüfung zu bedenken.

Bei sehr hoher Ultraschallfrequenz rückt die Wellenlänge in die Größenordnung der Korngren-zen. Dann werden die Korngrenzen selbst nachge-wiesen und stören das Ergebnis der Messung. Dies ist technisch bei Frequenzen oberhalb 10 MHz der Fall, wenn die Wellenlänge in Stahl im Bereich von 0,5 mm liegt.

Bei austenitischen Stählen mit ihrem meist etwas grobkörnigeren Gefüge sind aus diesem Grund be-reits Ultraschallprüfungen mit einer Frequenz von 2 MHz problematisch.

Unterschiedliche Gefüge unterscheiden sich teilweise stark in ihrem Dämpfungsvermögen. So führen perlitische unlegierte Stähle aufgrund ih-rer groben Zementitlamellen zu einem wesentlich stärkeren Grundrauschen, verglichen mit einem feinkörnigen vergüteten Gefüge.

Oberfl ächenzustand des Werkstücks. Das Prüf-ergebnis wird ebenfalls durch den Oberfl ächenzu-stand beeinf lusst. Dies liegt auf der Hand, wenn man einmal die verschiedenen technischen Ober-fl ächenzustände von Stahlprodukten betrachtet. Eine große Oberfl ächenrauheit bedingt ein hohes Grundrauschen. Als Faustformel gilt, dass eine au-

tomatische Prüfung erst ab einem Verhältnis Nutz-/Störsignal von mindestens 3:1 sinnvoll durchführ-bar ist.

Erkennbarkeit von Oberfl ächenungänzenIn den vorangegangen Kapiteln wurden die phy-

sikalischen Grundlagen der derzeit verwendeten Prüfverfahren detailliert erläutert. Dabei wurde auf die Rahmenbedingungen der Prüfungen und die sich daraus ergebenden Einschränkungen der Prüfbarkeit eingegangen.

Seit der Veröffentlichung von Wieland und En-gineer [1] sind keine neuen, auf anderen physika-lischen Methoden beruhenden Prüfverfahren im Markt eingeführt worden. Bei den etablierten Prüf-verfahren wurden zwar Verbesserungen erreicht, die sich aber im Wesentlichen auf die Datenauf-zeichnung und deren Auswertung beschränken. Dadurch haben sich aktuell keine Änderungen hinsichtlich der Fehlererkennbarkeit ergeben.

Material Prüfart Erkennbarkeit (Tiefe)Gegossenes Halbzeug visuell Poren, Dellen, Einziehungen,

Mattschweißungen, klaffende

Risse (subjektiv)

Magnetpulver1) Längsrisse > 0,5 mm

Querrisse > 2,0 mm

Warmumgeformtes Halb-

zeug für Walzwerke

visuell Schalen, Splitter, klaffende Risse

(subjektiv)

Magnetpulver1) nass Längsrisse > 0,2 mm (subjektiv)

Magnetpulver1) trocken Längsrisse > 0,5 mm

Thermographie Längsrisse > 0,5 mm

Warmumgeformtes Halb-

zeug für Gesenkschmieden

visuell Schalen, Splitter, klaffende Risse

(subjektiv)




Warmumgeformte runde

Stäbe (schwarz)

Wirbelstrom Längsrisse > 0,3 mm2)

Streufl uss Längsrisse > 0,2 mm2)



Stabstahl schwarz vierkant

(Vormaterial für Schmieden)




Walzgeschälte runde Stäbe Wirbelstrom Längsrisse > 0,3 mm

Streufl uss Längsrisse > 0,15 mm

ungeprüfte Enden < 100 mm: 1) mit gestrahlter Oberfl äche, 2) abhängig von der Oberfl ächenrauheit und

der Abmessung; zur Fehlermorphologie vgl. auch [4]

8

Erkennbarkeit für Oberfl ächenungänzen an Stabstahl Detectability for surface discontinuities on steel bar


Technik + Trends


Bild 8 gibt auszugsweise eine Übersicht über die minimal auffi ndbaren Anzeigengrößen bei Ober-fl ächenfehlern [1]. Dies bedeutet nicht, dass diese Grenzwerte als Anforderung immer sinnvoll oder unter allen Umständen zu erreichen sind.

Dabei ist zu beachten: Die Angaben in Bild 8 sind abgesicherte Erfahrungswerte aus der Praxis, die an natürlichen Ungänzen gewonnen wurden. Nachweisgrenzen der Prüfanlagenhersteller, die an Referenzfehlern gewonnen wurden, werden in der Regel im industriellen Einsatz nicht erreicht.

Welches ist das Prüfverfahren der Wahl? Aus der Historie heraus haben sich bei den Stahl-

herstellern bestimmte Prüfeinrichtungen als opti-mal erwiesen. Die unterschiedlichen eingesetzten Prüfverfahren haben wiederum ihre spezifi schen Besonderheiten. Eine optimale Ausstattung und Anordnung von Prüfanlagen lässt sich somit nicht verallgemeinern.

Die Prüfung kann in verschiedenen Fertigungs-schritten erfolgen. Bei den Stabstahlherstellern er-folgt die Prüfung grundsätzlich nach dem Richten. Der gerichtete Stabstahl läuft defi niert durch die Prüfgeräte, sodass Abhebeeffekte und Abstandsän-derungen auf ein Minimum begrenzt werden.

Ebenso wichtig ist die Prüfung beim Stahlverar-beiter bzw. Endanwender, der aufgrund seiner spe-ziellen, vom Produkt abhängigen Anforderungen bestimmte Merkmale der Produkte prüft. Diese Prü-fungen und die Prüfungen beim Stahlhersteller kön-nen einander sinnvoll ergänzen. Vor allem können erst dort Fehler, die beim Stahlhersteller nicht detek-tierbar waren und erst bei der Weiterverarbeitung zu Tage treten (z.B. verschweißte Risse) oder Fehler, die im Fertigungsprozess des Stahlverarbeiters entstan-den sind (z. B. Schmiedefehler), aufgedeckt werden.

Die Wahl der Prüfklasse richtet sich nach den An-forderungen an das Endprodukt. Es macht sicherlich keinen Sinn, einfachere Produkte nach der höchs-ten Prüfklasse zu prüfen. Dies verursacht unnötige Prüf- und Sortierkosten beim Stahlhersteller. Für an-spruchsvolle Anwendungen, wie beispielsweise Ein-spritzdüsen, werden aufgrund der hohen Werkstoff-ausnutzung höhere Anforderungen an die Qualität des Vormaterials gestellt. Der erhöhte Prüfaufwand hierfür ist bei der Bestellung zu vereinbaren.

In manchen Fällen kommt es auch darauf an, die Lage der Anzeige im Material anzugeben. Sofern dies die Fertigung beim Stahlverarbeiter zulässt, könnte z. B. Material mit einer Unvollkommenheit verwendet werden, sofern sich diese bei der Wei-terverarbeitung gezielt herausschneiden lässt. Mit Blick auf die Ressourceneffi zienz — das Einschmel-zen des sonst fehlerfreien Materials ließe sich ver-meiden — könnte dies durchaus von Vorteil sein.

FazitDas ehrgeizige Ziel, „Null Fehler“ zu erreichen,

wird auch von den Stahlherstellern als Herausfor-derung angenommen. Die oben stehenden Ausfüh-rungen belegen jedoch, dass dieses Ziel aus physi-kalischen Gründen allein durch eine Prüfung beim Stahlhersteller nicht immer erreicht werden kann. Stringentere Forderungen helfen also nicht, die Qualität zu verbessern. Zu beachten ist dabei auch die Normalverteilung der Ergebnisse — selbst bei bester Qualität wird es immer einzelne „Ausreißer“ geben.

Manche Ungänzen können sich tatsächlich erst am Endprodukt zeigen. Nicht auszuschlie-ßen sind Effekte der Umformung, beispielsweise extremer Werkstofffl uss oder ungünstige Konst-ruktion der Werkzeuge: Bei sehr hohen Umform-graden und extremen Umformgeschwindigkeiten können Ungänzen entstehen, oder sie treten erst dort zutage.

Vieles spricht dafür, Chargen mit einzelnen Un-gänzen nicht direkt zu verwerfen, sondern das vertrauensvolle Gespräch mit dem Stahlhersteller zu suchen. Hinweise des Stahlanwenders helfen wiederum dem Stahlhersteller in vielen Fällen, die Ursache aufzufi nden; in vielen Fällen gelingen Ab-stellmaßnahmen.

Durch eine abgestimmte Vorgehensweise kön-nen Stahlhersteller und -anwender zu einer rea-listischen Bewertung der Anzeigen kommen, um mit den verbliebenen, nicht vermeidbaren Ungän-zen auszukommen. Hier ist eine Betrachtung der Entstehungsmöglichkeiten über die gesamte Ferti-gungskette sinnvoll. Eine solche gemeinsame FMEA stellt die Partnerschaft zwischen Stahlherstellern und -anwendern auf eine breitere Basis. Schließlich tragen alle Partner in der Prozesskette die gemein-same Verantwortung für ein Produkt.

Ergebnisbericht einer Gemeinschaftsarbeit im Fachaus-schuss für legierte Baustähle im Werkstoffausschuss des Stahlinstituts VDEh.

Dr.-Ing. Axel Stüber, Leiter Entwicklung, Georgsmarien-hütte GmbH, Georgsmarienhütte, Deutschland; Dr.-Ing. Martin Waltner, Leiter Technologie und ZfP, Saarstahl AG, Völklingen, Deutschland; Bernd Bäcker, Qualitäts-wesen, Saarstahl AG, Neunkirchen, Deutschland; Dipl.-Ing. Hilmar Jung, Werkstofftechnik, BGH Edelstahlwerke GmbH, Siegen, Deutschland; Dipl.-Ing. Herbert Schifferl, Leiter Forschung und Entwicklung, voestalpine Stahl Dona-witz GmbH & Co. KG, Leoben, Österreich; Dr. rer. nat. Ingo Steller, Abt. Werkstofftechnik/Prüftechnik, Stahlinstitut VDEh, Düsseldorf, Deutschland.

[email protected]

[1] Engineer, S. J.; Wieland,

H.-J.: stahl u. eisen 117

(1997) Nr. 3, S. 79/84.

[2] Hradecny, T.; Deutsch,

W. A. K.; Schuster, V.;

Schneider, H.-J.; Koch, R.;

Paulus, H.; Waltner, M.;

Peter, C.; Beyer, K.;

Lohmann, J. F.; Scholle,

W.; Münch, G.: stahl u.

eisen 124 (2004) Nr. 11,

S. 119/28.

[3] Sy, D.: Wirbelstromprü-

fung von Blankstahl in

Stäben, Stabziehereien-

vereinigung e. V., Düssel-

dorf, 2001, http://www.

blankstahl.org/stabziehe-

reien/de/download/Wir-

belStromPruefung.pdf

[4] Fehlerkatalog Stabstahl

und Walzdraht, Stahlins-

titut VDEh, Düsseldorf,

2011.

L iteratur

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