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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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Bruno Baumann Der Wüstengänger Bruno Baumann ist 1955 in der Steiermark geboren. Er ist Historiker und Ethnologe, aber auch als Autor, Filmemacher und Fotograph hat er sich einen Namen gemacht. Den Stoff für die drei Letztgenannten entnimmt Baumann seinen zahlreichen Reisen, vor allem den Reisen durch die Wüsten. Seine erste Wüstenreise führte 1989 durch die Takla – Makan – Wüste, die er zu Fuß bestritt. Auch in Tibet und im Tibetsi – Gebirge (Sahara) war Baumann unter Wegs. Schon immer zog es ihn in die entlegenen Gebiete der Erde, also war es nur eine Frage der Zeit, bis Baumann in eine Wüste gehen würde. Bekannte Bücher Baumanns sind: Kailash- Tibets heiliger Berg (bestes Reisebuch 2002) Gobi-Durch das Land ohne Wasser Abenteuer Seidenstraße Das verborgene Königreich Mustang oben: Bruno Baumann auf einer Düne in der Wüste Gobi Inhaltsangabe Bruno Baumann beschreibt die Wüste nie als Öde, sondern immer als eine Art Paradies, in dem man jedoch zu Grunde geht, wenn man sich ihr nicht anpasst. Er genießt die Einfachheit und den Umstand, dass nicht alles so bequem ist wie in Europa. Auch erwähnt er oft, dass man erst in der Wüste erfährt, welchen Wert das Wasser hat, da einem in dieser Trockenheit nicht mehr als zwei Liter pro Tag davon zur Verfügung stehen, ans Waschen ist also nicht zu denken. Und doch besitzt die Wüste etwas, dass Bauma..
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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]

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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



    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.

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.


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.

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.



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


Bei dem Salzsprühnebeltest wird der zu prüfende Werkstoff in einen Kammer, in der eine Temperatur von 35°C herrscht, kontinuierlich mit einer 5%igen Kochsalzlösung vernebelt.

Dadurch wird das Werkstück mit einem Salzwasserfilm überzogen. Typische Prüfdauern sind beispielsweise: 96 Std., 240 Std., 480 Std., 720 Std. Hinterher wird der Werkstoff mit entionisiertem Wasser abgespült. Dann wird eine Auswertung durchgeführt, bei der der Korrosionsangriff ermittelt werden kann. Dies kann visuell oder unter Verwendung mikroskopischer Verfahren durchgeführt werden.

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 Vickers wird ein Diamant-Eindringkörper in das zu prüfende Werkstück gedrückt. Der Eindringkörper besteht aus einer gleichseitigen Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136°. Der zurückgebliebene Abdruck kann dann ausgewertet werden und damit wird die Härte errechnet.

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

  • Kapazitätsmessverfahren

  • 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.


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.

Abbildung 3: Schematische Darstellung des magnetinduktiven Verfahrens


Hierbei wird die Messsonde des Prüfgerätes, welches aus einem ferromagnetischen Kern besteht, senkrecht auf die zu messende Oberfläche gesetzt.

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. Für unkritische Anwendungen liegt die Messunsicherheit bei etwa 5%. [4]


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.



In der Abbildung 2 ist das Wirbelstromverfahren schematisch dargestellt.

Abbildung 4: Schematische Darstellung des Wirbelstromverfahrens

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.


  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.


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