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  • 专利说明
  • 权利要求
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  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft ein Messverfahren zur Bestimmung metallischerOberflächenschichten aufmetallischen Werkstücken.Das Messverfahren ist insbesondere zur Dickenbestimmung von Chrombeschichtungenauf Messingwerkstückenoder zur Bestimmung der Diffusionsschichtdicke bei nitrierten Stählen geeignet.DasMessverfahren, bei dem durch die Einbringung von definierten Wärmemengenin den Grenzflächenzwischen Oberflächenschichtund WerkstückStromflüssegeneriert und deren umgebende Magnetfelder zur Bestimmung der Oberflächenschichtdickeausgelesen werden, ist dadurch gekennzeichnet,dass die Einbringungder Wärmemengenentweder an zwei definierten Punkten der Fläche der Oberflächenschicht oderan einem Punkt einer Werkstückkanteerfolgt, wobei bei der Einbringung an zwei Punkten die Wärmemengen mitunterschiedlichem Niveau eingebracht werden.Die Anordnung weistmindestens zwei Elemente zur Einbringung von definierten Wärmemengenin die Oberfläche vonWerkstückensowie eine Einrichtung zur Erfassung magnetischer Felder auf, wobeidie Elemente beabstandet auf die Oberfläche des Werkstückes aufgesetztsind.
    公开号:DE102004021450A1
    申请号:DE200410021450
    申请日:2004-04-30
    公开日:2005-11-24
    发明作者:Johann Prof. Dr. Hinken；Herbert Dipl.-Ing. Wrobel
    申请人:HOCHSCHULE MAGDEBURG - STENDAL (FH)；HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL F；ESA Patentverwertungsagentur Sachsen-Anhalt GmbH；
    IPC主号:G01B7-06
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Messverfahren und eine Anordnung zur Bestimmungmetallischer Oberflächenschichtenauf metallischen Werkstücken.Das Messverfahren ist insbesondere zur Dicken- und Homogenitätsbestimmungvon Chrombeschichtungen auf Messingwerkstücken oder zur Bestimmung der Verbindungs-oder Diffusionsschichtdicke bei der Nitrierung von Stählen geeignet.
    [0002] Verbindungs-oder Diffusionsschichtdicken können über dieMethode zerstörenderQuerschliffe bestimmt werden, wie es in Kohtz, Dieter: Wärmebehandlungmetallischer Werkstoffe, Grundlagen und Verfahren, VDI Verlag Düsseldorf1994, S. 150, beschrieben wurde.
    [0003] Nichtzerstörend kanndie Dicke von Beschichtungen, soweit sie aus ferromagnetischem Materialbestehen, aus der Haftkraft gegenüber extern aufgebrachten Magnetenbestimmt werden, wie Tushinsky, L.I. et al. in: Coated Metal Structureand Properties of Metal-Coating Compositions, Springer Verlag 2002,S. 190 f. beschreiben. A.a.O., S. 191–198 ist auch die Anwendungder Wirbelstrom-, der Radiometrie und der thermoelektrischen Methodemit kontaktierender Auslesung beschrieben.
    [0004] Daz.B. die durch Nitrieren erzeugten Verbindungsschichten mit Dickenim Bereich um 20 μm sehrdünn sind,bieten sie nur einen geringen physikalischen Kontrast gegenüber demGrundmaterial – dahersind die vorbenannten Meßmethodenmit Ausnahme der thermoelektrischen in diesem Anwendungsgebiet kaumpraktikabel. Das thermoelektrische Verfahren bietet in der bekanntenAnwendungsform keine Lösungsmöglichkeitenfür dasPrüfproblemdünnerSchichten, da in der Regel die schwachen elektrischen Spannungssignaledurch parasitäreOberflächeneffektewie z.B. Verschmutzungen überdecktwerden.
    [0005] DieserMangel könntezwar grundsätzlichmit dem in Fortentwicklung begriffenen thermoelektrischen Prüfverfahrenmit magnetischer Auslesung (TEM), das in der DE 198 46 025 C2 gezeigtist, überwundenwerden. Jedoch ist mit der bekannten Ein bringung des Temperaturgradientenund einer homogenen Oberflächenschichtkein Messsignal zu erwarten und damit auch keine Dickenbestimmungmöglich.
    [0006] Diebekannten Meßmethodensind also entweder nicht zerstörungsfreianwendbar oder auf ein Anwendungsgebiet außerhalb des zu lösenden Messproblemsbegrenzt.
    [0007] DieAufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messverfahren und eine Anordnungzu entwickeln, mit denen dünneOberflächenschichtenauf metallischen Bauteilen hinsichtlich ihrer Dicke und Homogenität zerstörungsfreibestimmt und geprüftwerden können.
    [0008] Daserfindungsgemäße Messverfahrenzur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischenWerkstückenweist die Verfahrensschritte entsprechend des ersten Hauptanspruches aufund ist gemäß der Unteransprüche weiterausgestaltet. Die erfindungsgemäße Anordnungzur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischenWerkstückenbesitzt die Merkmale entsprechend des weiteren Hauptanspruches.
    [0009] DieGrundlage des erfindungsgemäßen Messverfahrenszur Bestimmung insbesondere der Dicke metallischer Oberflächenschichtenauf metallischen Werkstückenwird gebildet durch das thermoelektrische Messprinzip mit magnetischerAuslesung:
    [0010] Entsprechenddes Seebeck-Effektes wird eine elektrische Spannung an den Endeneines leitfähigenDrahtes A erzeugt, wenn ein Abschnitt eines anderen DrahtmaterialsB eingefügtist und die beiden Verbindungsstellen sich auf unterschiedlichen Temperaturenbefinden. Schließtman die spannungsführendenEnden des Drahtes A kurz, fließtein Strom, der bekanntermaßenvon einem Magnetfeld begleitet ist. Dessen Feldlinien verlaufenzu einem großenTeil außerhalbdes Leitermaterials und sind geeignet zur messtechnischen Erfassung.
    [0011] Diegewonnenen Parameter des Magnetflusses sind nach ggf. erforderlicherKalibrierung repräsentativfür geometrischeVerhältnisseder verbundenen Materialien. Einzelheiten zu diesem Messverfahrensind in Hinken, J. H. und Tavrin, Y.: Thermoe lektric Squid methodfor the detection of segregations, Review of Progress in QuantitiveNon-destructive evaluation, D. O. Thompson & D. E. Chimeti, Vol. 19 (Plenum,New York) erläutert.
    [0012] DasWesen der Erfindung besteht darin, durch eine neue und erfinderischeVerfahrensweise zu erreichen, dass die thermoelektrische Methode mitmagnetischer Auslesung auf die Bestimmung homogener dünner Schichtenanwendbar wird.
    [0013] Diesist überraschendeinfach möglich,indem erfindungsgemäß durchgeeignet lokalisierte Wärme-bzw. Kältemengeneintragungdie durch den Seebeck-Effekt angetriebenen und magnetisch auszulesenden – weil dieMaterialdaten repräsentierenden – Ströme so angetriebenwerden, dass die mit ihnen verbundenen Magnetfelder das zu prüfende Materialverlassen und der Auslesung zugänglichwerden.
    [0014] Diesist auf zwei Wegen erreichbar: Einerseits können gegenüber dem bekannten Verfahrensschrittder Einbringung eines einzelnen Temperaturgradienten zwei räumlich getrennteTemperatureintragungen vorgenommen werden, andererseits kann eineeinzelne Temperaturgradienteneintragung an einer Werkstückkantedes dünnbeschichteten Werkstückesrealisiert werden. Im Falle zweier räumlich getrennter Temperatureintragungenkann ein Eintrag erfindungswesentlich auch als Eintrag der Umgebungstemperaturdes zu prüfendenMaterials vorgenommen werden.
    [0015] Inbeiden Fällenerfindungsgemäßer Verfahrensweisewird erreicht, dass die von der Temperaturgradienteneintragung ander Übergangs-oder Diffusionsschicht zwischen Beschichtungsmaterial und Werkstückgrundmaterialdurch den Seebeck-Effekt generierten Ströme so verlaufen, dass sichderen begleitende magnetische Feldstärkevektoren wenigstens teilweiseaußerhalbdes Werkstücksbefinden und fürmagnetische Sensoren erfaß-und damit messbar sind. Die Stärkedes Magnetfeldes ermöglichtbei geeigneter Kalibrierung die angestrebte Bestimmung der SchichtdickedünnerSchichten an der Oberflächevon Werkstücken.
    [0016] DieDurchführungdes erfindungsgemäßen Messverfahrenszur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischenWerkstückenkann mit einer ebenfalls erfinderischen Anordnung erfolgen: DieseAnordnung weist mindestens zwei Elemente zur Einbringung von definiertenWärmemengenoder Temperaturen in die Oberflächevon Werkstückensowie eine Einrichtung zur Erfassung magnetischer Felder auf, wobeidie Elemente beabstandet auf die Oberfläche des Werkstückes aufgesetzt sind.
    [0017] DieErfindungen sind anwendbar auf sowohl auf ferromagnetische als auchauf nichtferromagnetische Werkstücke.Im Falle magnetischen Werkstückgrundmaterialsmüssenjedoch dessen magnetisches Remanenzfeld und das permeabilitätsbedingte Verzerrungsfeldunterdrücktwerden. Hierzu kann erfindungsgemäß wie folgt verfahren werden:Das Werkstückwird unter dem Gradiometer so platziert, dass sich der Gradiometerwertim Fall ohne Temperatureinbringung Null nähert. Auf diese Weise werdenmagnetisches Erdfeld, technische Störfelder, das Remanenzmagnetfelddes Werkstückssowie das permeabilitätsbedingteVerzerrungsfeld des Werkstückeskompensiert.
    [0018] DieErfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabeizeigen zugehörigeZeichnungen in
    [0019] 1:eine Prinzipskizze zur Anwendung des thermoelektrischen Verfahrensmit magnetischer Auslesung bei mittigem Wärmeeintrag in die Oberfläche einesbeschichteten Werkstücks
    [0020] 2:eine Prinzipskizze zur Anwendung des thermoelektrischen Verfahrensmit magnetischer Auslesung bei verteiltem Wärme- und Kälteeintrag in die zu bestimmendeOberfläche
    [0021] 3:eine Prinzipskizze zur Anwendung des thermoelektrischen Verfahrensmit magnetischer Auslesung bei Wärmeeintragan der Kante eines beschichteten Werkstücks
    [0022] 4:eine Prinzipskizze einer Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Messverfahrensbei verteiltem Wärme-und Kälteeintragin die zu bestimmende Oberfläche
    [0023] Inden 1 bis 4 ist ein Werkstück 1 zu sehen,das mit einer dünnenNitrierschicht 2 versehen ist, deren Dicke zu ermittelnist.
    [0024] Zunächst sollversucht sein, diese Aufgabe mit dem thermoelektrischen Verfahrenmit magnetischer Auslesung zu lösen.Hierzu wird gemäß 1, inder ein Schnitt durch das Werkstück 1 dargestellt ist,ein Wärme-oder KälteeintragQ in die Oberfläche desbeschichteten Werkstücks 1 vorgenommen.Dieser WärmeeintragQ führtin der Grenzflächeder Nitrierschicht 2 zum Grundmaterial des Werkstücks 1 entsprechenddes bereits erläutertenSeebeck-Effektes zur Generierung eines Stromflusses 1,der in der Umgebung des Wärmeeintragsortes – mit derradialen Entfernung von dieser abnehmend – auftritt und summarisch alsStrompfeil 1 dargestellt ist.
    [0025] DieserStromfluss 1 und sein zwangsläufig mit ihm auftretendes MagnetfeldH entsprechen den Verhältnisseneiner stromdurchflossenen Toroidspule: Der Vektor der magnetischenFeldstärkeH steht senkrecht auf dem ihn generierenden Strom mit der Folge,dass kein Anteil der Magnetfeldfeldstärke H das Volumen des Werkstückes 1 verlässt: DasThermoelektrische Verfahren mit magnetischer Auslesung ist zur Lösung derAufgabe in der herkömmlichenVerfahrensweise offensichtlich untauglich.
    [0026] Mitder Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensweisestellen sich die Verhältnissebei gleicher Aufgabe erfolgversprechend anders dar: Gemäß 2 werdenin die Oberflächeder Nitrierschicht 2 des Werkstücks 1 beabstandetzueinander jeweils ein WärmeeintragQ+ sowie ein Kälteeintrag Q– vorgenommen,wobei einer von beiden durchaus bei Umgebungstemperatur erfolgenkann. Auch jetzt wird in der Grenzfläche der Nitrierschicht 2 zum Grundmaterialdes Werkstücks 1 entsprechenddes Seebeck-Effektes ein Stromfluss 1 erzeugt. Wegen dererfindungsgemäß verändertenVornahme der unterschiedlichen Wärmeeinträge entstehtnunmehr eine Strom- und Magnetfeldverteilung wie bei der Stromschleife,also einer Spule mit einer Windung: Externe Anteile des MagnetfeldesH außerhalbdes Volumens des Werkstückes 1 ermöglichendie gewünschtemagnetische Auslesung und damit die Messung der Schichtdicke derNitrierschicht 2.
    [0027] Ineiner weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gemäß 3 ein Wärme- oderKälteeintragQ an einer Kante des Werkstückes 1 mitNitrierschicht 2 vorgenommen. Auch bei dieser Verfahrensweisewird ein Stromfluss I in der Grenzfläche der Nitrierschicht 2 zumGrundmaterial des Werkstücks 1 erzeugt,dessen begleitendes Magnetfeld H ebenfalls teilweise das Werkstück verlässt undso die magnetische Auslesung und damit die Messwertbestimmung für die Schichtdickeder Nitrierschicht 2 ermöglicht.
    [0028] Daserfindungsgemäße Messverfahrenzur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischenWerkstückenkann vorteilhaft mit einer erfinderischen Anordnung gemäß des Anordnungsanspruchesausgeführtwerden.
    [0029] Einebeispielhafte Ausgestaltung der beanspruchten Anordnung gem. 4 zeigtoberhalb der Nitrierschicht 2 eines Werkstückes 1 einenangeschnitten dargestellten Gehäuseteileines Gerätes 6, ausdessen Unterseite zwei Elemente 3 und 4 zum Wärme- oderKälteeintragherausragen, die mit ihren Enden oder Spitzen die Oberfläche desWerkstückes 1 berühren undden Eintrag der erfindungsgemäß notwendigeinzutragenden Wärme-oder Kältemengenrealisieren, wobei die Wärme-oder Kältemengen aufnicht näherbeschriebene Weise im Gerät 6 bereitgestelltwerden.
    [0030] Zwischenden Elementen 3 und 4 ist eine Einrichtung 5 zurErfassung magnetischer FeldstärkenH angeordnet: Das gemäß vorangegangenerErläuterungenteilweise außerhalbdes Werkstückes 1 auftretendeMagnetfeld – welchesentsprechend des erfindungsgemäßen Messverfahrensgeneriert wird – kannmittels der Einrichtung 3 messtechnisch erfasst und innerhalbdes Gerätes 6 aufhier nicht näherbeschriebene Weise unter Nutzung bekannter Verfahrensweisen undAuswertealgorithmen quantitativ so ausgewertet werden, dass am Ausgangdes Gerätes 6 Wertefür dieSchichtdicke der Nitrierschicht 2 zur Verfügung stehen.
    [0031] Diegezeigte Anordnungen der 4 ist als Beispiel für die Erfindungzu verstehen: Auch eine andere als die dargestellte Zuordnung derMerkmale der Ansprüche,Beispiele und Figuren kann die Erfindung im Wesen darstellen odererfindungswesentlich sein.
    [0032] DieErfindung gestattet es äußerst vorteilhaft,z. B. die Veredelungsschichtdicken nitrierter Bauteile zerstörungsfreizu messen. Das Messverfahren arbeitet zuverlässig und kann hinsichtlichgeringer Toleranzen gut kalibriert werden. Seine Messwerterfassungsdauerermöglichtdie prozessnahe Verwendung und kann Laborzeiten – wie bei der zerstörenden Schichtdickenmessungnötig – vermeiden. Dieerfindungsgemäße Anordnungist mit geringem Aufwand zu realisieren und gestattet eine schnelle undraumsparende Verwirklichung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
    [0033] Verzeichnisder Bezugs- und Formelzeichen zur Patentanmeldung „Messverfahrenzur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischenWerkstücken"
    1 Werkstück 2 Nitrierschicht 3 Element 4 Element 5 Einrichtung 6 Gerät Q Wärme- oderKälteeintrag Q+ Wärmeeintrag Q– Kälteeintrag I Stromfluss J Stromdichte H magnetischeFeldstärke
    权利要求:
    Claims (5)
    [1] Messverfahren zur Bestimmung metallischer Oberflächenschichtenauf metallischen Werkstücken,bei dem durch die Einbringung von betragsmäßig definierten Wärmemengenoder Temperaturen in den Grenzflächenzwischen Oberflächenschichtund WerkstückStromflüssegeneriert und deren umgebende Magnetfelder zur Bestimmung von Parameternder Oberflächenschichtausgelesen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringungder definierten Wärmemengenoder Temperaturen entweder an zwei definierten Punkten der Fläche der Oberflächenschichtoder an einem Punkt einer Werkstückkanteerfolgt, wobei im Falle der Einbringung der Wärmemengen oder Temperaturenan zwei Punkten die Wärmemengenoder Temperaturen unterschiedliches Niveau besitzen.
    [2] Messverfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet,dass im Falle der Einbringung der definierten Wärmemengen oder Temperaturenan zwei definierten Punkten der Fläche der Oberflächenschichteine der Wärmemengenals Wärmeeintrag (Q+)und eine der Wärmemengenals Kälteeintrag (Q–) eingebrachtwerden.
    [3] Messverfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet,dass im Falle des Eintrags der definierten Wärmemengen oder Temperaturenan zwei definierten Punkten der Fläche der Oberflächenschichteiner von beiden als Eintrag der Umgebungstemperatur erfolgt.
    [4] Messverfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet,dass zur Kompensation von Störungendes magnetischen Erdfeldes, technischer Störfelder, des Remanenzmagnetfeldesim Falle ferromagnetischen Werkstückes (1) sowie despermeabilitätsbedingtenVerzerrungsfeldes des Werkstückes (1)dieses unter einem mit mehreren Sensoren ausgestatteten Magnetfeldgradiometerso platziert wird, dass sich der Gradiometerwert im Fall des Werkstückes (1)ohne Temperatureinbringung Null nähert.
    [5] Anordnung zur Bestimmung metallischer Oberflächenschichtenauf metallischen Werkstücken,ein Element zur Einbringung von betragsmäßig definierten Wärmemengenoder Temperaturen in die Oberflächevon Werkstückensowie eine Einrichtung zur Erfassung magnetischer Felder aufweisend,dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Element (4)zur Einbringung von betragsmäßig definiertenWärmemengenoder Temperaturen in die Oberflächeeines Werkstückes(1) vorhanden ist, welches beabstandet zu dem bereits vorhandenen Element(3) auf die Oberflächedes Werkstückes(1) aufgesetzt ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-11-24| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-02-08| 8364| No opposition during term of opposition|
    2012-02-23| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20111101 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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