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Prüfung thermisch gespritzter Schichten

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Protocol
Medical Engineering

University, School

HS Bremerhaven / Bremerhaven

Grade, Teacher, Year

1,3 , 2013

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Prüfung thermisch gespritzter Schichten



Prüfung thermisch gespritzter Schichten


Verfasser:


, MT5


Abgabetermin:


18.03.2013

Labor: Werkstofforientierte Fertigungsprozesse


Inhaltsverzeichnis


1 Einleitung 3

2 Einschätzung der Schichtqualität 4

2.1 Metallografische Schichtuntersuchung 4

2.2 Prüfung der Haftzugfestigkeit 5

3 Bestimmung der Gebrauchseigenschaften 5

4 Schichtdickenmessung 7

4.1 Magnetinduktive Verfahren 7

4.2 Wirbelstromverfahren 8

5 Rauheitsmessung 10

5.1 Tastschnittverfahren 10

5.2 Optische Messgeräte 11

6 Prüfung innerer Schichteigenschaften 11

6.1 Thermografie 12

6.2 Akustische Oberflächenwellen 12

7 Zusammenfassung 13

8 Quellen- und Literaturverzeichnis 14

9 Abbildungsverzeichnis 15


  1. Einleitung


Als Beispiel für ein Oberflächenbeschichtungsverfahren ist das Thermische Spritzen. Bei diesem Verfahren werden Zusatzwerkstoffe, die so genannten Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen und dann in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt, sodass diese anschließend auf die Oberfläche eines zu beschichtenden Bauteils geschleudert werden. [6]


Aufgrund der Vielzahl der Prozessparameter beim Thermischen Spritzen und der damit verbundenen möglichen Fehlerfaktoren ist die Prüfung von gespritzten Schichten zur Qualitätssicherung unverzichtbar. Hierbei unterscheidet man zwischen zerstörungs- und zerstörungsfreien Prüfungen.

Zu den Zerstörungsprüfungen zur Einschätzung der Schichtqualität gehören beispielsweise metallographische Schliffuntersuchungen und zur Bestimmung der Gebrauchseigenschaften, Prüfung zur Haftzugfestigkeit, Verschleiß-, Korrosions-, Mikro- und Makrohärte.

Die zerstörungsfreien Prüfungen lassen sich hingegen in mehreren verschiedenen Prüfkategorien charakterisieren. Hierbei werden mehrere Verfahren für die Schichtdickenmessung, Rauheitsmessung und Prüfungen zur Einschätzung innerer Schichteigenschaften (z.B. Risse, Poren, Einschlüsse) verwendet. [2]


In dieser Ausarbeitung geht es um die Prüfung thermisch gespritzter Schichten. In diesem Zusammenhang werden einzelne zerstörungs- und zerstörungsfreie Prüfverfahren mit ihrer Funktionsweise erläutert. Abschließend werden diese noch einmal zusammengefasst.


  1. Einschätzung der Schichtqualität


Die Frage, ob Fehler oder Unregelmäßigkeiten in der Struktur vorliegen, lässt sich unter Anderem mit zwei zerstörenden Verfahren beurteilen.


    1. Metallografische Schichtuntersuchung


Die Schliffuntersuchung (Abb. 1) ist ein sehr weit verbreitetes und in vielen Bereichen angewendetes Verfahren und wird grundsätzlich in die mikroskopische und die makroskopische Version unterteilt.

Bei der makroskopischen Schliffuntersuchung wird ein flammgespritztes Werkstück feingeschliffen und mit Ätzmitteln geätzt. Dies wird gemacht, um grobe Strukturfehler, wie Lagenaufbau, sowie grobe Risse und deutliche Haftungsfehler deutlich zu machen.

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Sogenannte Mikroschliffe werden ebenfalls zunächst durch einen Feinschliff vorbereitet und auch mit entsprechenden Ätzmitteln geätzt, allerdings erfolgt die Untersuchung von Feinstrukturen nun mit dem Lichtmikroskop. Es lassen sich hier feinste Strukturmerkmale erkennen, um eventuellen Folgeschäden vorzubeugen. [19]


Abbildung 1: Seitenansicht Schliffuntersuchung


    1. Prüfung der Haftzugfestigkeit

Die Haftzugfestigkeit ist die auf eine Prüffläche bezogene, rechtwinklig zur Beschichtungsschicht wirkende Kraft, bei der sich die Beschichtung vom Untergrund löst.

Um diese Kenngröße zu ermitteln wird ein Prüfstempel auf die beschichtete Oberfläche aufgeklebt und mittels einer damit verbundenen Zugvorrichtung (Abb. 2) vom Bauteil weg gezogen. Die Zugkraft wird bis zum Bruch gleichmäßig gesteigert. [20]

Abbildung 2: Prüfvorrichtung, Haftzugfestigkeit


  1. Bestimmung der Gebrauchseigenschaften


Zur Bestimmung der Gebrauchseigenschaften können verschiedene Prüfungen durchgeführt werden. Bei diesen werden der Verschleiß, die Korrosion, die Mikro- und Makrohärte und die Beugung und Mikrobeugung unter die Lupe genommen.

Um den Verschleiß zu prüfen können verschiedene Tests durchgeführt werden (z.B. Scratchtest, Taber-Abraser-Test).


Im Scratchtest, oder auch Ritztest wird ein Diamantkegel in die Oberfläche des Werkstücks eingedrückt. Mit welcher Kraft dies geschehen soll kann vorher definiert werden. Gleichzeitig wird der Kegel dann translatorisch auf dem Werkstück bewegt. Die daraus entstehenden Veränderungen, also der Ritz und die Verformung des Werkstücks, werden hinterher analysiert und dadurch kann dann die Kritische Last ermittelt werden, bei der die Beschichtung Schaden nehmen würde.

Bei dem Taber-Abraser-Test wird der Abriebwiderstand getestet, indem zwei Reibrollen mit einer definierten Kraft auf dem Werkstück rotieren. Der dadurch erzeugte Abrieb kann hinterher wiederum ausgewertet werden.



Weiterführend kann man auch die Korrosion mit verschiedenen Tests prüfen (z.B. Salzsprühnebeltest, Kesternichtest).


Dann wird eine Auswertung durchgeführt, bei der der Korrosionsangriff ermittelt werden kann. Dies kann visuell oder unter Verwendung mikroskopischer Verfahren durchgeführt werden.

Der Kesternichtest wird genauso durchgeführt wie der Salzsprühnebeltest, mit dem Unterschied das das zu testende Werkstück mit nicht mit einer Kochsalzlösung vernebelt sondern in einer feuchten Schwefeldioxidatmosphäre gelagert wird. Nach der Durchführung des Tests kann wieder der Korrosionsangriff ermittelt werden.


Mikro- und Makrohärteprüfung sind weitere Prüfungen, die die Gebrauchseigenschaften bestimmen können (z.B. nach Vickers, Rockwell oder Brinell).


Bei der Härteprüfung nach Brinell Hartmetallkugel mit einer bestimmten Prüflast sowie einer festgelegten Einwirkdauer in den Werkstoff gedrückt und als Härtemaß das Verhältnis der Last zur bleibenden Eindrucksoberfläche bestimmt. Hinterher kann die Härte des Werkstoffs errechnet werden.

Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird das Werkstück mit dem Prüfkörper erst einmal Vorbelastet, hinterher wird dann für kurze Zeit die Hauptlastangesetzt um dann die Vorlast folgen zu lassen. Dann kann wieder die Härte errechnet werden.

  1. Schichtdickenmessung


Ein Bereich der zerstörungsfreien Prüfungen von thermisch gespritzten Werkstoffen, ist das Gebiet der Schichtdickenmessung. Dieses Gebiet befasst sich mit der Bestimmung der Schichtdicke von Beschichtungen auf Oberflächen. [1] Es existieren verschiedene Verfahren zur Schichtdickenmessung, die im Folgenden aufgezählt werden:

  • Haftkraftverfahren

  • Magnetinduktive Verfahren

  • Wirbelstromverfahren

  • Thermoelektrische Methode

  • Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren

  • β-Rückstreuverfahren [2]


    In diesem Zusammenhang werden zwei Verfahren näher erläutert. Diese sind das Magnetinduktive- und das Wirbelstrom-Verfahren.


      1. Magnetinduktive Verfahren


    Das Magnetinduktive Verfahren ist ein elektromagnetisches Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Es wird zur Messung der Dicke von magnetisch neutralen Schichten auf magnetischem Grundmaterial verwendet [3]. Dieses Messverfahren kommt bei der Schichtdickenkontrolle von Galvanischen Schichten aus Chrom, Zink, Kupfer oder Aluminium auf Stahl und Eisen zum Einsatz.


    Das Prinzip dieser Methode ist in der Abbildung 3 schematisch dargestellt.


  • Hierbei wird die Messsonde des Prüfgerätes, welches aus einem ferromagnetischen Kern besteht, senkrecht auf die zu messende Oberfläche gesetzt. Zusätzlich wird eine anliegende Primärspule mit Wechselstrom gespeist, sodass sie durch den Erregerstrom ein niederfrequentes Magnetfeld erzeugt und somit in der vorliegenden Messspule (Sekundärspule) eine Spannung induziert.

    Es besteht eine Abhängigkeit zwischen der Stärke des Magnetfeldes bzw. die Spannung an der Sekundärspule und dem Abstand zwischen der Messsonde und dem Grundwerkstoff. Je dicker die Schicht ist, desto weiter ist die Sonde vom Grundwerkstoff entfernt und desto geringer wird der magnetische Fluss bzw. die gemessene induzierte Spannung. Mittels einer Sonderkennlinie im Messgerät wird das aus der Messspule erhaltene Spannungssignal in einen Schichtdickenwert umgerechnet.


    Ein ähnlich einfaches Prüfverfahren, welches nach einem etwas anderen Messprinzip funktioniert, ist das Wirbelstromverfahren.


      1. Wirbelstromverfahren


    Das Wirbelstromverfahren ist ein elektrisches Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Dieses Verfahren ist einerseits geeignet, elektrisch nichtleitende Beschichtungen (z.B. Farbe, Kunststoff) auf nichtferromagnetischen Grundmaterialien (z.B. Aluminium, Kupfer) und andererseits elektrisch leitende Schichtmaterialien (z.B. Kupfer, Silber, Gold) auf schlecht leitenden Substraten (Glas) zu messen.


    Im Gegensatz zum magnetinduktiven Verfahren werden beim Wirbelstromverfahren Frequenzen bis in den MHz-Bereich verwendet. In der Abbildung 2 ist das Wirbelstromverfahren schematisch dargestellt.

    In diesem Verfahren werden im Grundmaterial, durch den hochfrequenten Spulenstrom an der Messsonde, Wirbelströme erzeugt, welche die Impedanz1 des hochfrequenten Wechselfeld der erzeugenden Spule verändern (s. Abb. 2). Die erforderliche Energie zur Erzeugung der Wirbelströme wird vom Magnetfeld der Spule erzeugt. Hierbei gilt: Je größer der Abstand von der Oberfläche der Grundschicht ist, desto schwächer ist die Stärke des Magnetfeldes der Spule.

    Nach der Lenzschen Regel findet somit eine Überlagerung der von den Wirbelströmen erzeugten Magnetfeld und dem Ursprungsfeld, sodass das Ursprungsfeld abgeschwächt wird. Daraus lässt sich schließen, dass die Impedanzänderung, die vom Abstand der Sonde vom Grundmaterial abhängig ist, als Messgröße für die Schichtdicke dient. [7]





    1. Rauheitsmessung


    Die Werkstückoberflächen haben in vielen technischen Anwendungen verschiedene Funktionen zu erfüllen. So beeinflusst z.B. die Rauheit des Zahnimplantates das Einwachsen in den Knochen und somit die Belastbarkeit und Haltbarkeit. [8]

    Um die Rauheit von Oberflächen zu beurteilen, gibt es Rauheitskennwerte: Rz , Rmax , Ra .

    Rz ist die sogenannte „gemittelte Rauhtiefe“. Die gemittelte Rauhtiefe ist der Mittelwert aus den Einzelrauhtiefen.

    Rmax ist die größte Einzelrauhtiefe.

    Der Mittenrauhwert Ra ist der arithmetische Mittelwert des Rauheitsprofil R innerhalb der Messstrecke. [9]

    Um diese Kennwerte zu messen gibt es Geräte die nach zwei verschiedenen Verfahren arbeiten. Unterscheiden lassen sie sich in taktile (berührend) und optische (berührungslos) Verfahren.


    Ein Oberflächenprüfgerät, dass nach dem Tastschnittverfahren arbeitet, besteht aus drei Komponenten: Taster, Vorschubapparate und Auswertegerät mit Anzeige und Dokumentation.

    Bei diesem berührenden Verfahren fährt ein Taster mit Diamantspitze mit konstanter Geschwindigkeit über die Oberfläche eines Werkstückes um die Rauheit der Oberfläche zu ermitteln. Diese Bewegungen werden mit induktiven Wegaufnehmern erfasst und die Signale anschließend elektrisch gefiltert und ausgegeben.

    Abbildung 5: Tastspitze unter Rasterelektronenmikroskop


      1. Optische Messgeräte


    //Diese sogenannten berührungslosen Verfahren werden meist für weiche Oberflächen verwendet, da die Oberflächen durch die Tastspitze beschädigt werden könnten.

    Abbildung 6: Messprinzip eines Weißlichtsensors

    Mit Hilfe eines Linsensystems wird aus geringem Abstand weißes Licht auf die Oberfläche fokussiert. Zusätzlich wird ein Objektiv verwendet, welches den blauen Farbanteil stärker fokussiert als den roten Farbanteil. Das Objektiv empfängt das Licht, welches von der Oberfläche zurück geworfen wird. Dieses Licht wird dort aufgefangen und durch eine Blende auf ein Spektrometer projiziert.

    Das Licht kann nur die Blende passieren, wenn es auf die Blende fokussiert wird. Je nach Abstand der Oberfläche zum Sensor wird ein anderer Farbanteil auf die Blende fokussiert. Die Blende stoppt das restliche Licht. Die Intensitäten für jede Farbe des zurückgeworfenen Lichtes werden vom Spektrometer analysiert. Aus der Lage des Maximums im Farbspektrum lässt sich so der Abstand vom Objektiv zur Oberfläche berechnen.


    1. Prüfung innerer Schichteigenschaften


    Die Verfahren zur Prüfung innerer Schichteigenschaften zielen zumeist darauf ab, Risse, Löcher oder sonstige Inhomogenitäten der Flammspritzschicht herauszustellen. Allerdings ist es mithilfe eines Verfahrens auch möglich Informationen über die mechanischen Eigenschaften der durch das thermische Spritzen aufgetragenen Oberflächenschicht zu erhalten. [16]

      1. Thermografie


    Dieses zerstörungsfreie Verfahren findet, aufgrund seiner universellen Verwendbarkeit, in sehr vielen Branchen Anwendung. So werden beispielsweise in der Medizin mithilfe der Thermografie Entzündungsherde lokalisiert. [17].

    Das Funktionsprinzip der Thermografie basiert auf einer gezielten lokalen impulsartigen Erwärmung eines Objektes durch eine Anregungsquelle. Materialfehler, wie Risse, Ablösen von der Beschichtung oder Poren stellen sich bei der Aufnahme mit einer Wärmebildkamera während der Abkühlphase als farbliche Unterschiede dar [18] (Abb. 7).



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