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Die
Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Anordnung zur Bestimmung
metallischer Oberflächenschichten
auf metallischen Werkstücken.
Das Messverfahren ist insbesondere zur Dicken- und Homogenitätsbestimmung
von Chrombeschichtungen auf Messingwerkstücken oder zur Bestimmung der Verbindungs-
oder Diffusionsschichtdicke bei der Nitrierung von Stählen geeignet.
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Verbindungs-
oder Diffusionsschichtdicken können über die
Methode zerstörender
Querschliffe bestimmt werden, wie es in Kohtz, Dieter: Wärmebehandlung
metallischer Werkstoffe, Grundlagen und Verfahren, VDI Verlag Düsseldorf
1994, S. 150, beschrieben wurde.
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Nichtzerstörend kann
die Dicke von Beschichtungen, soweit sie aus ferromagnetischem Material
bestehen, aus der Haftkraft gegenüber extern aufgebrachten Magneten
bestimmt werden, wie Tushinsky, L.I. et al. in: Coated Metal Structure
and Properties of Metal-Coating Compositions, Springer Verlag 2002,
S. 190 f. beschreiben. A.a.O., S. 191–198 ist auch die Anwendung
der Wirbelstrom-, der Radiometrie und der thermoelektrischen Methode
mit kontaktierender Auslesung beschrieben.
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Da
z.B. die durch Nitrieren erzeugten Verbindungsschichten mit Dicken
im Bereich um 20 μm sehr
dünn sind,
bieten sie nur einen geringen physikalischen Kontrast gegenüber dem
Grundmaterial – daher
sind die vorbenannten Meßmethoden
mit Ausnahme der thermoelektrischen in diesem Anwendungsgebiet kaum
praktikabel. Das thermoelektrische Verfahren bietet in der bekannten
Anwendungsform keine Lösungsmöglichkeiten
für das
Prüfproblem
dünner
Schichten, da in der Regel die schwachen elektrischen Spannungssignale
durch parasitäre
Oberflächeneffekte
wie z.B. Verschmutzungen überdeckt
werden.
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Dieser
Mangel könnte
zwar grundsätzlich
mit dem in Fortentwicklung begriffenen thermoelektrischen Prüfverfahren
mit magnetischer Auslesung (TEM), das in der
DE 198 46 025 C2 gezeigt
ist, überwunden
werden. Jedoch ist mit der bekannten Ein bringung des Temperaturgradienten
und einer homogenen Oberflächenschicht
kein Messsignal zu erwarten und damit auch keine Dickenbestimmung
möglich.
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Auch
der in der Posterpräsentation
von J. Hinken und H. Wrobel „Zerstörungsfreie
Prüfung
auf der Basis empfindlicher magnetischer Messtechnik", Poster des gemeinsamen
Forschungsmarktes der Hochschule Magdeburg-Stendal (FH) am 24. Juni 2003,
beschriebene aktuelle Stand der thermoelektrischen Prüfverfahren
mit magnetischer Auslesung (TEM) bezieht sich nur auf die Erfassung
von Materialinhomogenitäten
wie z.B. Seigerungen, Überhitzungszonen
oder Gebieten mit Materialermüdung. Solche
Materialinhomogenitäten
sind örtlich
begrenzt. Die Dicke einer homogenen Oberflächenschicht, die sich über das
Werkstück
erstreckt, kann mit der beschriebenen Methode nicht gemessen werden.
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Die
bekannten Meßmethoden
sind also entweder nicht zerstörungsfrei
anwendbar oder auf ein Anwendungsgebiet außerhalb des zu lösenden Messproblems
begrenzt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messverfahren und eine Anordnung
zu entwickeln, mit denen dünne
Oberflächenschichten
auf metallischen Bauteilen hinsichtlich ihrer Dicke und Homogenität zerstörungsfrei
bestimmt und geprüft
werden können.
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Das
erfindungsgemäße Messverfahren
zur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischen
Werkstücken
weist die Verfahrensschritte entsprechend des ersten Hauptanspruches auf
und ist gemäß der Unteransprüche weiter
ausgestaltet. Die erfindungsgemäße Anordnung
zur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischen
Werkstücken
besitzt die Merkmale entsprechend des weiteren Hauptanspruches.
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Die
Grundlage des erfindungsgemäßen Messverfahrens
zur Bestimmung insbesondere der Dicke metallischer Oberflächenschichten
auf metallischen Werkstücken
wird gebildet durch das thermoelektrische Messprinzip mit magnetischer
Auslesung:
Entsprechend des Seebeck-Effektes wird eine elektrische
Spannung an den Enden eines leitfähigen Drahtes A erzeugt, wenn
ein Abschnitt eines anderen Drahtmaterials B eingefügt ist und
die beiden Verbindungsstellen sich auf unterschiedlichen Temperaturen
befinden. Schließt
man die spannungsführenden Enden
des Drahtes A kurz, fließt
ein Strom, der bekanntermaßen
von einem Magnetfeld begleitet ist. Dessen Feldlinien verlaufen
zu einem großen
Teil außerhalb
des Leitermaterials und sind geeignet zur messtechnischen Erfassung.
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Die
gewonnenen Parameter des Magnetflusses sind nach ggf. erforderlicher
Kalibrierung repräsentativ
für geometrische
Verhältnisse
der verbundenen Materialien. Einzelheiten zu diesem Messverfahren
sind in Hinken, J. H. und Tavrin, Y.: Thermo lektric Squid method
for the detection of segregations, Review of Progress in Quantitive
Non-destructive evaluation, D. O. Thompson & D. E. Chimeti, Vol. 19 (Plenum,
New York) erläutert.
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Das
Wesen der Erfindung besteht darin, durch eine neue und erfinderische
Verfahrensweise zu erreichen, dass die thermoelektrische Methode mit
magnetischer Auslesung auf die Bestimmung homogener dünner Schichten
anwendbar wird.
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Dies
ist überraschend
einfach möglich,
indem erfindungsgemäß durch
geeignet lokalisierte Wärme-
bzw. Kältemengeneintragung
die durch den Seebeck-Effekt angetriebenen und magnetisch auszulesenden – weit die
Materialdaten repräsentierenden – Ströme so angetrieben
werden, dass die mit ihnen verbundenen Magnetfelder das zu prüfende Material
verlassen und der Auslesung zugänglich
werden.
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Dies
ist auf zwei Wegen erreichbar: Einerseits können gegenüber dem bekannten Verfahrensschritt
der Einbringung eines einzelnen Temperaturgradienten zwei räumlich getrennte
Temperatureintragungen vorgenommen werden, andererseits kann eine
einzelne Temperaturgradienteneintragung an einer Werkstückkante
des dünn
beschichteten Werkstückes
realisiert werden. Im Falle zweier räumlich getrennter Temperatureintragungen
kann ein Eintrag erfindungswesentlich auch als Eintrag der Umgebungstemperatur
des zu prüfenden
Materials vorgenommen werden.
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In
beiden Fällen
erfindungsgemäßer Verfahrensweise
wird erreicht, dass die von der Temperaturgradienteneintragung an
der Übergangs-
oder Diffusionsschicht zwischen Beschichtungsmaterial und Werkstückgrundmaterial
durch den Seebeck-Effekt generierten Ströme so verlaufen, dass sich
deren begleitende magnetische Feldstärkevektoren wenigstens teilweise
außerhalb
des Werkstücks
befinden und für
magnetische Sensoren erfaß-
und damit messbar sind. Die Stärke
des Magnetfeldes ermöglicht
bei geeigneter Kalibrierung die angestrebte Bestimmung der Schichtdicke
dünner
Schichten an der Oberfläche
von Werkstücken.
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Die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Messverfahrens
zur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischen
Werkstücken
kann mit einer ebenfalls erfinderischen Anordnung erfolgen: Diese
Anordnung weist mindestens zwei Elemente zur Einbringung von definierten
Wärmemengen
oder Temperaturen in die Oberfläche
von Werkstücken
sowie eine Einrichtung zur Erfassung magnetischer Felder auf, wobei
die Elemente beabstandet auf die Oberfläche des Werkstückes aufgesetzt sind.
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Die
Erfindungen sind anwendbar auf sowohl auf ferromagnetische als auch
auf nichtferromagnetische Werkstücke.
Im Falle magnetischen Werkstückgrundmaterials
müssen
jedoch dessen magnetisches Remanenzfeld und das permeabilitätsbedingte Verzerrungsfeld
unterdrückt
werden. Hierzu kann erfindungsgemäß wie folgt verfahren werden:
Das Werkstück
wird unter dem Gradiometer so platziert, dass sich der Gradiometerwert
im Fall ohne Temperatureinbringung Null nähert. Auf diese Weise werden
magnetisches Erdfeld, technische Störfelder, das Remanenzmagnetfeld
des Werkstücks
sowie das permeabilitätsbedingte
Verzerrungsfeld des Werkstückes
kompensiert.
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Die
Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei
zeigen zugehörige
Zeichnungen in
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1:
eine Prinzipskizze zur Anwendung des thermoelektrischen Verfahrens
mit magnetischer Auslesung bei mittigem Wärmeeintrag in die Oberfläche eines
beschichteten Werkstücks
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2:
eine Prinzipskizze zur Anwendung des thermoelektrischen Verfahrens
mit magnetischer Auslesung bei verteiltem Wärme- und Kälteeintrag in die zu bestimmende
Oberfläche
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3:
eine Prinzipskizze zur Anwendung des thermoelektrischen Verfahrens
mit magnetischer Auslesung bei Wärmeeintrag
an der Kante eines beschichteten Werkstücks
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4:
eine Prinzipskizze einer Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens
bei verteiltem Wärme-
und Kälteeintrag
in die zu bestimmende Oberfläche
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In
den 1 bis 4 ist ein Werkstück 1 zu sehen,
das mit einer dünnen
Nitrierschicht 2 versehen ist, deren Dicke zu ermitteln
ist.
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Zunächst soll
versucht sein, diese Aufgabe mit dem thermoelektrischen Verfahren
mit magnetischer Auslesung zu lösen.
Hierzu wird gemäß 1, in
der ein Schnitt durch das Werkstück 1 dargestellt ist,
ein Wärme-
oder Kälteeintrag
Q in die Oberfläche des
beschichteten Werkstücks 1 vorgenommen.
Dieser Wärmeeintrag
Q führt
in der Grenzfläche
der Nitrierschicht 2 zum Grundmaterial des Werkstücks 1 entsprechend
des bereits erläuterten
Seebeck-Effektes zur Generierung eines Stromflusses 1,
der in der Umgebung des Wärmeeintragsortes – mit der
radialen Entfernung von dieser abnehmend – auftritt und summarisch als
Strompfeil 1 dargestellt ist.
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Dieser
Stromfluss 1 und sein zwangsläufig mit ihm auftretendes Magnetfeld
H entsprechen den Verhältnissen
einer stromdurchflossenen Toroidspule: Der Vektor der magnetischen
Feldstärke
H steht senkrecht auf dem ihn generierenden Strom mit der Folge,
dass kein Anteil der Magnetfeldfeldstärke H das Volumen des Werkstückes 1 verlässt: Das
Thermoelektrische Verfahren mit magnetischer Auslesung ist zur Lösung der
Aufgabe in der herkömmlichen
Verfahrensweise offensichtlich untauglich.
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Mit
der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise
stellen sich die Verhältnisse
bei gleicher Aufgabe erfolgversprechend anders dar:
Gemäß 2 werden
in die Oberfläche
der Nitrierschicht 2 des Werkstücks 1 beabstandet
zueinander jeweils ein Wärmeeintrag
Q+ sowie ein Kälteeintrag Q– vorgenommen,
wobei einer von beiden durchaus bei Umgebungstemperatur erfolgen
kann. Auch jetzt wird in der Grenzfläche der Nitrierschicht 2 zum Grundmaterial
des Werkstücks 1 entsprechend
des Seebeck-Effektes ein Stromfluss 1 erzeugt. Wegen der
erfindungsgemäß veränderten
Vornahme der unterschiedlichen Wärmeeinträge entsteht
nunmehr eine Strom- und Magnetfeldverteilung wie bei der Stromschleife,
also einer Spule mit einer Windung: Externe Anteile des Magnetfeldes
H außerhalb
des Volumens des Werkstückes 1 ermöglichen
die gewünschte
magnetische Auslesung und damit die Messung der Schichtdicke der
Nitrierschicht 2.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gemäß 3 ein Wärme- oder
Kälteeintrag
Q an einer Kante des Werkstückes 1 mit
Nitrierschicht 2 vorgenommen. Auch bei dieser Verfahrensweise
wird ein Stromfluss 1 in der Grenzfläche der Nitrierschicht 2 zum
Grundmaterial des Werkstücks 1 erzeugt,
dessen begleitendes Magnetfeld H ebenfalls teilweise das Werkstück verlässt und
so die magnetische Auslesung und damit die Messwertbestimmung für die Schichtdicke
der Nitrierschicht 2 ermöglicht.
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Das
erfindungsgemäße Messverfahren
zur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischen
Werkstücken
kann vorteilhaft mit einer erfinderischen Anordnung gemäß des Anordnungsanspruches
ausgeführt
werden.
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Eine
beispielhafte Ausgestaltung der beanspruchten Anordnung gem. 4 zeigt
oberhalb der Nitrierschicht 2 eines Werkstückes 1 einen
angeschnitten dargestellten Gehäuseteil
eines Gerätes 6, aus
dessen Unterseite zwei Elemente 3 und 4 zum Wärme- oder
Kälteeintrag
herausragen, die mit ihren Enden oder Spitzen die Oberfläche des
Werkstückes 1 berühren und
den Eintrag der erfindungsgemäß notwendig
einzutragenden Wärme-
oder Kältemengen
realisieren, wobei die Wärme-
oder Kältemengen auf
nicht näher
beschriebene Weise im Gerät 6 bereitgestellt
werden.
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Zwischen
den Elementen 3 und 4 ist eine Einrichtung 5 zur
Erfassung magnetischer Feldstärken
H angeordnet: Das gemäß vorangegangener
Erläuterungen
teilweise außerhalb
des Werkstückes 1 auftretende
Magnetfeld – welches
entsprechend des erfindungsgemäßen Messverfahrens
generiert wird – kann
mittels der Einrichtung 3 messtechnisch erfasst und innerhalb
des Gerätes 6 auf
hier nicht näher
beschriebene Weise unter Nutzung bekannter Verfahrensweisen und
Auswertealgorithmen quantitativ so ausgewertet werden, dass am Ausgang
des Gerätes 6 Werte
für die
Schichtdicke der Nitrierschicht 2 zur Verfügung stehen.
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Die
gezeigte Anordnungen der 4 ist als Beispiel für die Erfindung
zu verstehen:
Auch eine andere als die dargestellte Zuordnung
der Merkmale der Ansprüche,
Beispiele und Figuren kann die Erfindung im Wesen darstellen oder
erfindungswesentlich sein.
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Die
Erfindung gestattet es äußerst vorteilhaft,
z. B. die Veredelungsschichtdicken nitrierter Bauteile zerstörungsfrei
zu messen. Das Messverfahren arbeitet zuverlässig und kann hinsichtlich
geringer Toleranzen gut kalibriert werden. Seine Messwerterfassungsdauer
ermöglicht
die prozessnahe Verwendung und kann Laborzeiten – wie bei der zerstörenden Schichtdickenmessung
nötig – vermeiden. Die
erfindungsgemäße Anordnung
ist mit geringem Aufwand zu realisieren und gestattet eine schnelle und
raumsparende Verwirklichung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
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Verzeichnis
der Bezugs- und Formelzeichen zur Patentanmeldung „Messverfahren
zur Bestimmung metallischer Oberflächenschichten auf metallischen
Werkstücken"
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- 1
- Werkstück
- 2
- Nitrierschicht
- 3
- Element
- 4
- Element
- 5
- Einrichtung
- 6
- Gerät
- Q
- Wärme- oder
Kälteeintrag
- Q+
- Wärmeeintrag
- Q–
- Kälteeintrag
- I
- Stromfluss
- J
- Stromdichte
- H
- magnetische
Feldstärke