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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen einer
Schutzschicht auf metallischen Werkstücken, insbesondere einer Korrosionsschutzschicht
aus Zinkphosphat.
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Derartige
Verfahren zum Prüfen
von Schutzschichten auf metallischen Werkstücken sind beispielsweise als
ein genormter Salzsprühnebeltest nach
DIN 50021 bekannt.
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In
der Druckschrift „Quantitative
test for zinc phosphate coating quality" von Zurilla, R. W.; Hospadaruk, V.,
SAE [Technical Papers] (1978), 780187, 6 ff. (abstract), CAPLUS
[online], in: STN. AN 1978:56498. DN 89:164980 wird ein elektrochemisches
Polarisationsverfahren zur schnellen und direkten Messung der Porosität von Zinkphosphatbeschichtungen
auf Stahl beschrieben. Das Verfahren basiert auf der Grundlage,
dass Sauerstoff bei einer porösen
Phosphatbeschichtung auf kathodisch aktiven Oberflächen (unbeschichteter
Stahl), aber nicht auf inaktiven Oberflächen (phosphatierte Bereiche) reduziert
wird, und dass die Größe eines
Stroms ein relatives Maß der
Beschichtungsporosität
ist.
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Nachteilig
dabei ist, dass diese Verfahren sehr zeitaufwendig sind und sich
nicht zur Anpassung der laufenden Fertigung an die Prüfergebnisse verwenden
lassen, wobei auf Grund von möglichem hohen
Ausschuss nur eine begrenzte Wirtschaftlichkeit gegeben ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Prüfen
einer Schutzschicht auf metallischen Werkstücken zu schaffen, deren Zeitbedarf
gegenüber
dem Salzsprühtest
des Standes der Technik verringert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
Ansprüche
1 und 8 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist zumindest folgende Verfahrensschritte auf:
- a)
Aufbringen eines ersten Mediums in einer vorgebbaren Konzentration
auf das mit der Schutzschicht versehene Werkstück in einem vorgebbaren Zeitabschnitt
zum Ausbilden einer metallischen Prüfschicht auf Fehlstellen der
Schutzschicht, insbesondere durch Tauchen des Werkstücks in einen
das erste Medium aufweisenden ersten Behälter;
- b) Freispülen
des Werkstücks
vom ersten Medium mit einem zweiten Medium;
- c) Trocknen des Werkstücks
und
- d) Prüfen
der Prüfschicht
des Werkstücks
zur Ermittlung korrosionsgefährdeter
Stellen am Werkstück.
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Das
langwierige Ermitteln in einer Salzsprühkammer wird derart durch ein
kurzes Tauchbeschichtungsverfahren ersetzt, das sich im Vergleich
zum Stand der Technik deutlich schneller und unkomplizierter durchführen lasst.
Es ist auch denkbar, das Werkstück
nicht zu tauchen sondern es z.B. zu umspülen. Das Tauchen stellt aber
eine besonders einfache und zuverlässige Methode zum Ausbilden
der Prüfbeschichtung
dar.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Fehlstellen durch die Prüfschicht
eine zur Schutzschicht unterschiedliche Farbe erhalten. Hieraus
ergibt sich eine vorteilhaft einfach Unterscheidungsmöglichkeit
der Fehlstellen. Auch ist dieses für eine automatische Bilderkennung
zur Auswertung von Vorteil.
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Ein
Eintauchen in eine Flüssigkeit,
die sich in einem Behälter
befindet, ist vorteilhaft einfach und schnell durchführbar. Hierbei
sind keine zusätzlichen Maßnahmen
zur Abdichtung einer solchen Behandlungszone erforderlich wie zum
Beispiel in einem Durchlaufverfahren. Auch eine Absaugung lässt sich vorteilhaft
einfach hierbei verwenden.
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Es
ist bevorzugt, dass das Trocknen des Werkstücks über einem zweiten Behälter zum
Spülen erfolgt,
da sich dadurch in einem automatisierten Verfahren kurze Transportwege
und keine zusätzlichen Ablaufkanäle für die abtropfende
Flüssigkeit
ergeben.
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In
bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Verfahrensschritt
(d) Prüfen
folgende Teilschritte auf:
- (d1) Ermitteln der
Prüfbeschichtungsfläche;
- (d2) Ermitteln des Verhältnisses
zwischen der Prüfbeschichtungsfläche und
der Gesamtoberfläche
der Schutzschicht;
- (d3) Vergleichen dieses Verhältnisses
mit einem vorgebbaren Schwellwert.
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Vorzugsweise
wird als das erste Medium als eine stark saure Sulfatlösung verwendet,
wobei eine bevorzugte Mischung aus vollentsalztem Wasser, Salpetersäure und
Kupfersulfat besteht. Hierdurch lässt sich vorteilhaft einfach
und in sehr kurzer Zeit ermitteln, ob Fehlstellen in der Schutzschicht
des Werkstücks
vorhanden sind, wobei diese gleichzeitig vorteilhaft durch diese
besondere Zusammensetzung des ersten Mediums farblich gekennzeichnet werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass das zweite Medium vollentsalztes Wasser ist, wodurch
eine vorteilhafte rückstandsfreie
Spülung der
Werkstücke
ermöglicht
wird, und wodurch sich damit Fehlerkennungen bei der Prüfung vermeiden beziehungsweise
erheblich verringern.
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Die
Verfahrensschritte (a) bis (c) werden in bevorzugter Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einer vorgebbaren Zahl wiederholt, welche z.B. fünf beträgt. Hiermit
ist eine ausreichende Sicherheit zur Erkennung von Fehlstellen auf Grund
von zahlreichen Versuchen gegeben, ohne dass die Prüfungszeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erheblich verlängert
wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Prüfen
einer Schutzschicht auf metallischen Werkstücken, insbesondere einer Korrosionsschutzschicht aus
Zinkphosphat, weist folgendes auf:
- – mindestens
einen ersten Behälter
zur Aufnahme eines ersten Mediums und zur Bildung einer ersten Behandlungszone
für Prüflinge;
- – mindestens
einen zweiten Behälter
zur Aufnahme eines zweiten Mediums und zur Bildung einer zweiten
Behandlungszone für
Prüflinge;
- – eine
Ein-/Ausgabezone über
dem ersten Behälter
und eine Trockenzone über
dem zweiten Behälter;
- – eine
Fördereinrichtung
zur Beförderung
von Prüflingen
in den und durch die Zonen und Behandlungszonen in der Vorrichtung;
- – eine
Steuereinrichtung; und
- – vorzugsweise
eine Heizeinrichtung.
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In
dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren
wird eine vorteilhaft einfache und kompakte Einheit geschaffen,
die in viele Fertigungsstraßen eingefügt und einfach
angepasst werden kann.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft anhand einer bevorzugten Ausführungsform
mit Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen im Detail beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 ein
Werkstück
in einer Teilschnittansicht mit einer Beschichtung und Fehlstellen;
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2 eine
schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Bezug auf eine Zeitachse; und
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3 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
für das
erfindungsgemäße Verfahren.
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1 zeigt
ein Werkstück 1 in
einer gebrochenen Teilschnittansicht mit einer Beschichtung 2 auf
seiner äußeren Oberfläche.
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Bei
dem Werkstück 1 handelt
es sich um ein metallisches Teil, das hier in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem Graugusswerkstoff besteht und in Bremsvorrichtungen an
Fahrzeugen zum Einsatz kommt, beispielsweise als Gehäuse, Bremssattel oder
-träger.
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Es
ist üblich,
dass derartige Werkstücke
mit einem Korrosionsschutz versehen werden, der in Form der Beschichtung 2 als
eine Schutzschicht auf der gesamten Oberfläche des Werkstücks 1 in
einer bekannten Produktionsvorrichtung zum Beschichten von Werkstückoberflächen, welche
in 2 in einer Blockdarstellung als eine Beschichtungseinheit 4 gezeigt
ist, in ebenfalls bekannter Weise aufgebracht wird. Die Schutzschicht 2 besteht
in dieser Ausführungsform
aus einer Zinkphosphatierung.
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Die
Schutzschicht 2 sollte die gesamte Oberfläche des
Werkstücks 1 bedecken,
so dass diese nicht mehr mit der sie umgebenden Atmosphäre in Kontakt
steht, wodurch zum Einen eine Oxidation der Werkstückoberfläche mit
dem Luftsauerstoff verhindert wird, und zum Anderen weitere mögliche Reaktionen
mit umgebenden Medien ausgeschlossen werden. Dazu ist es erforderlich,
dass so genannte Fehlstellen 3, die beispielsweise Poren
in der Schutzschicht 2 sein können, nicht oder nur in einem
geringen unschädlichen
Maß auftreten.
Solche Fehlstellen 3 können
durch unterschiedliche Ursachen bedingt sein, welche zum größten Teil
in der Beschichtungseinheit 4 als Fertigungsparameter beeinflussbar
sind, wie zum Beispiel Auftragsschichtdicke, Verarbeitungstemperatur,
und dergleichen.
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Diese
Fehlstellen 3 werden durch ein Prüfverfahren ermittelt, dessen
Ablauf in 2 in einer schematischen Blockdarstellung über einer
Zeitachse t gezeigt ist.
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Der
obere Teil der 2 zeigt einen bekannten Prüfablauf,
bei welchem die in der Beschichtungseinheit 4 mit der Schutzschicht 2 versehenen Werkstücke 1 nach
ihrer Fertigstellung zum Zeitpunkt t0 zu einem darauf folgenden
Zeitpunkt t1 in eine erste Prüfeinheit 5 laufen.
Die erste Prüfeinheit 5 beinhaltet
einen bekannten Prüfvorgang,
einen so genannten Salzsprühnebeltest,
beispielsweise nach der Norm DIN 50021, bei welchem die Werkstücke mit
einer bestimmten Salzlösung
unter bestimmten Bedingungen besprüht werden.
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Die
Zeitdauer dieses Tests erstreckt sich vom Zeitpunkt t1 bis zu einem
Zeitpunkt t6, wobei dieser Zeitabschnitt ungefähr 240 bis 400 Stunden beträgt, was
10 bis 17 Arbeitstagen entspricht.
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Nach
dem Durchlauf der ersten Prüfeinheit 5 zum
Zeitpunkt t5 werden die Werkstücke
in einer ersten Auswerteeinheit 6 geprüft. Das heißt, es wird ermittelt, wie
groß eine
gesamte Oberfläche
von Fehlstellen 3 im Verhältnis zur Gesamtoberfläche des Werkstücks 1 beträgt. Die
Fehlstellen 3 sind durch den Salzsprühnebeltest dergestalt korrodiert
beziehungsweise verändert,
dass sie gegenüber
der normalen Oberfläche
der Schutzschicht 2 erkennbar sind.
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Aus
diesem Verhältnis
lässt sich
erkennen, ob die Werkstücke
nachgearbeitet werden müssen oder
nicht. Eine Beeinflussung der Fertigungsparameter der Beschichtungseinheit 4 durch
eine erste Rückführung 9,
ist nur für
die nächsten
Chargen möglich.
Eine direkte Beeinflussung der laufenden Fertigung der Charge des
Prüflings
ist auf Grund der langen Zeiträume
nicht mehr gegeben.
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Der
untere Abschnitt der 2, der sich direkt über der
Zeitachse t befindet, zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei
dem eine zweite Prüfeinheit 7 und
eine zweite Auswerteeinheit 8 mit kürzeren Blöcken dargestellt sind. Damit
wird veranschaulicht, dass der Zeitabschnitt, den die zweite Prüfeinheit 7 mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
im Vergleich zu der ersten Prüfeinheit 5 gemäß dem Stand
der Technik benötigt, bedeutend
geringer ist. Die zweite Prüfeinheit 7 benötigt einen
Zeitabschnitt von t1 bis t2, und die zweite Auswerteeinheit einen
Zeitabschnitt von t3 bis t4, wobei der gesamte Zeitabschnitt von
t1 bis t4 bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
auf ungefähr
30 Minuten gegenüber
der herkömmlichen
Methode drastisch verringert ist.
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Somit
ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren äußerst vorteilhaft
möglich,
direkt über eine
zweite Rückführung 10 in
das laufende Fertigungsverfahren in der Beschichtungseinheit 4 durch Einstellen
der Fertigungsparameter in Abhängigkeit von
dem Prüfergebnis
der zweiten Auswerteeinheit 8 einzugreifen. Hieraus ergibt
sich der große
Vorteil, dass wesentlich weniger Ausschuss in der Fertigung der
Werkstücke 1 mit
der Schutzschicht 2 anfällt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nun mit Bezugnahme auf 3 anhand
einer beispielhaften Ausführung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 näher erläutert.
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3 zeigt
eine Vorrichtung 11, welche im linken Teil der 3 in
einer Vorderansicht im Schnitt und im rechten Teil der 3 in
einer rechten Seitenansicht dargestellt ist.
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Die
Vorrichtung 11 weist ein Gehäuse 12 auf, welches
geschlossen oder in einer Rahmenstruktur ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise wird ein geschlossenes Gehäuse 12 verwendet,
um definierte Betriebsbedingungen zu erhalten, wobei eine nicht dargestellte
Absaugung des Gehäuses 12 ebenfalls vorhanden
sein kann.
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Auf
der rechten Seite der Vorrichtung 11 im linken Bildabschnitt
ist ein erster Behälter 17 neben einem
zweiten Behälter 19 angeordnet. Über diesen Behältern 17, 19 ist
jeweils ein im Wesentlichen gleich großer Freiraum vorgesehen. Der
Freiraum über
dem ersten Behälter 17 ist
eine Ein-/Ausgabezone 16, in welcher ein Prüfling 14 von
einer Fördereinrichtung 15 in
die Vorrichtung 11 hinein oder aus ihr heraus transportiert
wird. Der Freiraum über
dem zweiten Behälter 19 ist
eine Trockenzone 21. Die Behälter 17, 19 bilden
jeweils eine Behandlungszone für den
Prüfling 14.
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Die
Vorrichtung 11 weist weiterhin eine Heizeinrichtung 23 zur
Temperaturbeeinflussung der jeweiligen Zonen auf. Die Ein-/Ausgabezone 16 und die
Trockenzone 21 sind über
Sichtfenster 13 in dieser Ausgestaltung einzusehen. Eine
Zugangsöffnung 24 ermöglicht die
Anschlussmöglichkeiten
für Energie-
und Medienversorgung. Eine Steuereinrichtung 22 steuert
die Bewegungsvorgänge
der Fördereinrichtung 15 sowie
den gesamten Verfahrensablauf und die Temperaturen der jeweiligen
Behandlungszonen. Ein Austausch der Medien 17, 19 mittels Pumpen,
Rohrsystem und zugehöriger
Steuerung ist möglich.
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Der
Prüfling 14 ist
das mit der Schutzschicht 2 versehene Werkstück 1,
welches aus der Beschichtungseinheit 4 kommt und zur Prüfung vorgesehen ist.
Es kann sich bei dem Prüfling 4 entweder
um ein Werkstück 1 oder
um eine Anzahl von Werkstücken 1 handeln,
die sich dann in einer geeigneten Halterung befinden.
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Die
Fördereinrichtung 15 transportiert
den ankommenden Prüfling 14 entweder
direkt aus der Beschichtungseinheit 4, von einer nicht
dargestellten Übergabestation
oder nur in der Vorrichtung 11 von der Ein-/Ausgabezone 16 in
die jeweiligen weiteren Zonen.
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Auf
dem Transportweg des Prüflings 14 werden
die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt, was
im Folgenden beschrieben wird.
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Der
Prüfling 14 wird
in einem ersten Verfahrensschritt mit einem ersten Medium 18 beaufschlagt,
welches sich in dieser Ausführung
in dem ersten Behälter 17 befindet.
Das erste Medium 18 ist eine Flüssigkeit, deren oberes Niveau
in der 3 durch ein auf der Spitze stehendes Dreieck gekennzeichnet
ist. Der Prüfling 14 wird
von der Fördereinrichtung 15 in
das erste Medium 18 im ersten Behälter 17 eingetaucht,
wobei er dort für
eine bestimmte Zeit, beispielsweise 10 bis 20 Sekunden verbleibt.
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Das
erste Medium 18 ist in dieser Ausführung eine stark saure Sulfatlösung aus
vollentsalztem Wasser, Salpetersäure
und Kupfersulfat, wobei eine bevorzugte Zusammensetzung aus 1 l
vollentsalztem Wasser, 2 bis 100 ml 56%iger Salpetersäure und
1 bis 80 g g Kupfersulfat (CuSO4 × 5 H2O) besteht.
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Bei
dem Aufbringen des ersten Mediums 18 wird an möglichen
Fehlstellen 3 in der Schutzschicht 2 auf dem Werkstück 1 eine
Prüfbeschichtung
ausgebildet. Hierbei wandern Ionen aus der Lösung des ersten Mediums 18 durch
die Fehlstellen 3 auf die darin freiliegende Oberfläche des
Werkstücks 1,
werden dort reduziert und scheiden sich als eine metallische Prüfschicht
ab, die sich in ihrer Farbe von der Schutzschicht 2 unterscheidet.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt wird der Prüfling 14 von
dem ersten Medium 18 getrennt, indem die Fördereinrichtung 15 ihn
aus dem ersten Behälter 17 in
die Ein-/Ausgabezone 16 herausbewegt. Dabei kann das erste
Medium 18 von dem Prüfling 14 hinunter
in den ersten Behälter 17 abtropfen.
Nun wird der Prüfling 14 von
der Fördereinrichtung 15 in die
Trockenzone 21 über
den zweiten Behälter 19 befördert und
in einem weiteren Verfahrensschritt in diesen eingetaucht. In dem
zweiten Behälter 19 befindet sich
ein zweites Medium 20, dessen oberes Niveau in der 3 auch
durch ein auf der Spitze stehendes Dreieck gekennzeichnet ist.
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Das
zweite Medium 20 ist hierbei eine Spüllösung aus vollentsalztem Wasser,
in welchem der Prüfling
vorzugsweise 5 bis 10 Sekunden gespült wird, um dann in einem nächsten Verfahrensschritt
in die Trockenzone 21 über
dem zweiten Behälter 19 nach
oben von der Fördereinrichtung 15 transportiert und
von dem zweiten Medium 20 getrennt zu werden.
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In
der Trockenzone 21 wird der Prüfling 14 für eine Zeit
von vorzugsweise 30 bis 60 Sekunden in einem weiteren Verfahrensschritt
getrocknet, wobei die an dem Prüfling 14 verbleibende
Spüllösung abtropfen
kann. Auch ein Abblasen kann möglich
sein.
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Daraufhin
wird der Prüfling 14 wieder
in die Ein-/Ausgabezone 16 transportiert.
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Vorzugsweise
wird der oben beschriebenen Verfahrensablauf fünfmal wiederholt.
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In
einem sich anschließenden
Verfahrensschritt wird der Prüfling 14 geprüft. Hierbei
wird die gesamte Oberfläche
der Prüfschicht
an den Fehlstellen 3 ermittelt, die sich farblich von der
Schutzschicht 2 unterscheiden und somit leicht erkennen
lassen. Das Verhältnis
der Oberfläche
der Fehlstellen 3 zu der Gesamtoberfläche ergibt einen so genannten Gesamtkorrosionsgrad
der Oberfläche
als Ergebnis der Prüfung.
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Die
Fehlstellen 3 werden in so genannten Weißrost und
Rotrost unterschieden, beide Anteile gehen in die gesamte Oberfläche der
Fehlstellen ein.
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Die
visuelle Beurteilung der Prüfbeschichtung
ermöglicht
in einfacher Weise eine an die Qualität des Salzsprühtests heranreichende
Beurteilung, ob die laufende Produktion in der Beschichtungseinheit 4 in
Ordnung ist oder nicht. Dazu wird der wie oben beschrieben erlangte
Verhältniswert
mit einem vorgebbaren Schwellwert verglichen. Zum Beispiel ist der
Schwellwert ein Prozentwert, vorzugsweise 30%. Das bedeutet, das
bei einem Korrosionsgrad unter dem Schwellwert von 30% eine korrekte
Fertigung vorliegt. Erreicht oder übersteigt der Korrosionsgrad
den Schwellwert von 30%, so muss die laufende Produktion in der
zu dem Prüfling 14 gehörenden Beschichtungseinheit 4 angehalten
werden, beziehungsweise müssen
die Fertigungsparameter gemäß dem Prüfungsergebnis
angepasst werden.
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Die
Verweilzeiten des Prüflings 14 in
den jeweiligen Behandlungszonen und Behältern können mittels einer Eingabeeinrichtung
an der Steuereinrichtung 22 vorgegeben und gemäß dem jeweilige Typ
des Prüflings 14 angepasst
werden. Die Steuereinrichtung 22 kann beispielsweise gemäß einer Chargennummer
des Prüflings 14.
Die Verweilzeiten des Prüflings 14 in
den jeweiligen Behandlungszonen und Behältern können mittels einer Eingabeeinrichtung
an der Steuereinrichtung 22 vorgegeben und gemäß dem jeweilige
Typ des Prüflings 14 angepasst
werden. Die Steuereinrichtung 22 kann beispielsweise gemäß einer
Chargennummer des Prüflings 14 korrespondierende,
in einer Speichereinrichtung gespeicherte Werte und Daten zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
verwenden. Sie kann auch einen Anschluss zu einer übergeordneten
Datenauswertungseinrichtung haben, die für die Qualitätskontrolle
zuständig
ist.
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Somit
ist eine vorteilhafte Überwachung
der Serienproduktion von Werkstücken 1 mit
einer Schutzschicht 2 ermöglicht. Diese Überwachung
wird vorzugsweise einmal pro Tag für jede Beschichtungseinheit 4 erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch in einer Vorrichtung durchgeführt werden, die im Durchlaufverfahren
betrieben wird.
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Die
visuelle Prüfung
kann insbesondere auch mit automatischen Bilderkennungsverfahren ausgeführt werden.
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- 1
- Werkstück
- 2
- Beschichtung
- 3
- Fehlstelle
- 4
- Beschichtungseinheit
- 5
- Erste
Prüfeinheit
- 6
- Erste
Auswerteeinheit
- 7
- Zweite
Prüfeinheit
- 8
- Zweite
Auswerteeinheit
- 9
- Erste
Rückführung
- 10
- Zweite
Rückführung
- 11
- Vorrichtung
- 12
- Gehäuse
- 13
- Sichtfenster
- 14
- Prüfling
- 15
- Fördereinrichtung
- 16
- Ein-/Ausgabezone
- 17
- Erster
Behälter
- 18
- Erstes
Medium
- 19
- Zweiter
Behälter
- 20
- Zweites
Medium
- 21
- Trockenzone
- 22
- Steuereinrichtung
- 23
- Heizeinrichtung
- 24
- Zugangsöffnung
- t
- Zeitachse
- t0...t6
- Zeitpunkte