DE102009032817A1

DE102009032817A1 - Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer Beschichtung

Info

Publication number: DE102009032817A1
Application number: DE200910032817
Authority: DE
Inventors: Oliver Dipl.-Ing. Methner (Fh); Marc-Andreas Wessel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer Beschichtung (34) mit den Schritten: a) Anordnen zweier zylindrischer Prüfkörper (12), wobei korrespondierende Basisflächen (14) der Prüfkörper (12) aneinander anliegen, und Fixieren der Prüfkörper in dieser Position mittels eines Halteelements (16); b) Beschichten einer Mantelfläche (18) der Prüfkörper (12) im Stoßbereich (32) der Prüfkörper (12); c) Lösen des Halteelements (16); d) Ausüben einer Zugkraft in Richtung der Symmetrieachse der Prüfkörper (12) bis zum Versagen der Beschichtung (34), wobei hohlzylindrische Prüfkörper (12) verwendet werden, wobei in Schritt b) eine innere Mantelfläche (18) der Prüfkörper (12) beschichtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer Beschichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Zur Prüfung der Zugfestigkeit von Beschichtungen existieren momentan zwei Verfahren. Beim so genannten Haftzugversuch wird ein Prüfkörper auf die Beschichtung eines Bauteils geklebt und anschließend eine Zugkraft in Richtung einer Flächennormalen beschichteten Fläche ausgeübt, bis der Zusammenhalt von Beschichtung und Substrat zusammenbricht. Während mit diesem Verfahren die Haftfähigkeit von Beschichtungen auf unterschiedlichen Substraten quantifiziert werden kann, ist es jedoch nicht möglich, die Zugfestigkeit der Beschichtung selbst ohne Beeinflussung durch das Substrat festzustellen. Zu diesem Zweck wird üblicherweise der so genannte Tubular-Coating-Tensile-Test verwendet, bei welchem zwei zylindrische Prüfkörper so angeordnet werden, dass ihre jeweiligen Basisflächen in Kontakt stehen. Die Prüfkörper werden in dieser Position fixiert und zumindest im Stoßbereich auf ihrer äußeren Mantelfläche mit einer Beschichtung versehen. Nach dem Beschichten wird die Fixierung gelöst und eine Zugkraft entlang der Rotationssymmetrieachse der zylindrischen Prüfkörper ausgeübt. Im Stoßbereich zwischen den Basisflächen werden die beiden Prüfkörper dabei ausschließlich durch die Beschichtung zusammengehalten. Die Zugkraft wird so lange erhöht, bis die Beschichtung im Stoßbereich versagt. Hierdurch erhält man ein Maß für die Zugfestigkeit der Beschichtung selbst, welches nicht von den Eigenschaften des Substrates beeinflusst wird. Im Gegensatz zur Haftzugprüfung wird weiterhin die Zugfestigkeit innerhalb der Beschichtungsebene, also senkrecht zur Flächennormalen auf die beschichtete Oberfläche bestimmt.
Der Tubular-Coating-Tensile-Test erlaubt allerdings nur die Prüfung der Zugfestigkeit von Außenbeschichtungen. Gerade im Kraftwagenbau gewinnen jedoch Innenbeschichtungen, insbesondere für die Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen, zunehmend an Bedeutung. Aufgrund der konkaven Krümmung der derart beschichteten Oberflächen ist der Tubular-Coating-Tensile-Test prinzipbedingt nicht geeignet, um die Zugfestigkeit von solchen Zylinderlaufbahnbeschichtungen zu prüfen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiterzuentwickeln, dass eine Prüfung von Innenbeschichtungen mit zuverlässigeren Ergebnissen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer Beschichtung werden zunächst zwei zylindrische Prüfkörper so angeordnet, dass korrespondierende Basisflächen der Prüfkörper aneinander anliegen, und anschließend mittels eines Halteelements in dieser Position fixiert. Im Stoßbereich der Prüfkörper wird anschließend eine Mantelfläche der Prüfkörper beschichtet, woraufhin das Halteelement wieder gelöst wird. Durch Ausüben einer Zugkraft in Richtung der Symmetrieachse der Prüfkörper bis zum Versagen der Beschichtung wird die Zugfestigkeit der Beschichtung geprüft. Hierbei werden Einflüsse des Substrats im Wesentlichen ausgeschlossen, da die Prüfkörper im Stoßbereich ausschließlich durch die Beschichtung zusammengehalten werden und das Versagen der Beschichtung im Stoßbereich daher lediglich auf den Eigenschaften der Beschichtung selbst beruht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass hohlzylindrische Prüfkörper verwendet werden, wobei die Beschichtung auf eine innere Mantelfläche der Prüfkörper aufgebracht wird. Die Prüfkörper sind also nicht wie beim aus dem Stand der Technik bekannten Tubular-Coating-Tensile-Test massiv, so dass der Test nicht auf Außenbeschichtungen beschränkt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können daher Innenbeschichtungen, wie sie beispielsweise im Kraftwagenbau für die Beschichtung von Zylinderlaufbahnen verwendet werden, zuverlässig getestet werden, ohne dass die Krümmung der beschichteten Oberfläche von der im tatsächlichen Einsatz der Beschichtung verwendeten Krümmung abweicht. Damit werden zuverlässigere Daten über die Zugfestigkeit solcher Beschichtungen erhalten, wobei gleichzeitig der Einfluss des Substrats ausgeschlossen wird.
Als Halteelement wird hierbei bevorzugt eine die Prüfkörper zumindest bereichsweise außenumfänglich umgebende Manschette verwendet. Dadurch wird ein passgenauer Sitz der Prüfkörper aneinander sichergestellt, so dass keine Verfälschungen der Prüfergebnisse beispielsweise durch radialen Versatz oder dergleichen der Prüfkörper gegeneinander auftreten kann. Das Verfahren wird bevorzugt zum Prüfen von Beschichtungen verwendet, welche in einem thermischen Spritzverfahren aufgebracht werden. Thermische Spritzverfahren wie beispielsweise das Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen, PTWA (Plasma Transfer Wire Arc), Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder dergleichen finden gerade im Kraftwagenbau zur Beschichtung von Zylinderlaufbahnen breite Anwendung und sind geeignet, um metallische oder metallkeramische Beschichtungen aufzubringen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Prüfkörper einen Anbindungsbereich zum Verbinden der Prüfkörper mit einem Zugstempel einer Zugversuchseinrichtung auf. Bevorzugt werden die Prüfkörper dabei über ein Adapterelement mit dem jeweiligen Zugstempel verbunden. Das Adapterelement kann beispielsweise mit der Mantelwandung der Prüfkörper verschraubt werden, um einen möglichst gleichmäßigen Krafteintrag durch die Zugversuchseinrichtung sicherzustellen. Insbesondere muss vermieden werden, dass die Richtung der einwirkenden Zugkraft von der Rotationssymmetrieachse der Prüfkörper abweicht, da dies eine ungleichmäßige Beanspruchung der Beschichtung im Stoßbereich verursachen würde. Durch ein geeignet gestaltetes Adapterelement kann ein solches Abweichen von den Idealbedingungen zuverlässig vermieden werden.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung einer Vorrichtung zum Durchführen einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 die Vorrichtung aus 1 in zusammengesetztem Zustand,
3 eine Detailvergrößerung des beschichteten Innenwandungsbereichs der Vorrichtung aus 1 und 2,
4 eine Explosionsdarstellung eines Prüfkörpers mit einer zugehörigen Bohrschablone zum Bohren des Prüfkörpers und
5 eine teilangeschnittene Darstellung von Prüfkörper und Bohrschablone in zusammengesetztem Zustand.
Zur Prüfung der Zugfestigkeit einer Beschichtung einer Richtung senkrecht zur Flächennormalen auf die beschichtete Oberfläche findet eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung, wie sie in 1 in Explosionsdarstellung gezeigt ist, Anwendung. Die Vorrichtung umfasst zwei hohlzylindrische Prüfkörper 12, welche zunächst so angeordnet werden, dass ihre jeweiligen Mantelflächen 14 aneinander anliegen. Mittels einer Manschette 16 werden die Prüfkörper 12 in dieser Position fixiert, woraufhin die Innenflächen 18 der Prüfkörper 12 mit einer Beschichtung versehen werden. Hierzu wird insbesondere ein thermisches Spritzverfahren verwendet. Dies ermöglicht die Prüfung der Zugfestigkeit von Innenbeschichtungen, wie sie beispielsweise als Zylinderlaufbahnbeschichtungen in Brennkraftmaschinen Anwendung finden. Nach dem Beschichten wird die Manschette 16 entfernt. Die Prüfkörper 12 werden in diesem Zustand lediglich durch die auf der inneren Mantelfläche 18 aufgebrachte Beschichtung zusammengehalten. Nun kann in Richtung der Rotationssymmetrieachse der Prüfkörper 12 eine Zugkraft auf die Beschichtung ausgeübt werden, und festgestellt werden, bei welcher Zugkraft die Beschichtung versagt. Damit ist ein substratunabhängiges Prüfen der Zugfestigkeit der Beschichtung in Richtung senkrecht zu einer Flächennormalen auf die innere Mantelfläche 18 der Prüfkörper 12 möglich. Um die Prüfkörper 12 in eine an sich bekannte Zugprüfmaschine einzuspannen, sind Adapter 20 vorgesehen, welche zunächst mit den Einspannelementen 30 verbunden werden und welche dann in die Prüfkörper 12 eingeschoben werden, bis die Bohrungen 22, 24 der Adapter 20 sich mit den Bohrungen 26, 28 der Prüfkörper 12 überdecken. Zum Fixieren der Adapter 20 an den Prüfkörpern 12 werden anschließend Bolzen in die Bohrungen 26, 28 eingesteckt bzw. eingeschraubt. Über die Einspannelemente 30, die mit den Adaptern 20 verbunden sind, kann die gesamte Vorrichtung, die in 2 im fertig zusammengesetzten Zustand gezeigt ist, schließlich in die Zugprüfmaschine eingesetzt werden, und der Zugprüfung unterworfen werden.
Wie in 3 nochmals in Vergrößerung gezeigt, werden die Prüfkörper 12 im Stoßbereich 32 lediglich durch die auf der inneren Mantelfläche 18 der Prüfkörper aufgebrachte Beschichtung 34 zusammengehalten. Der Prüfaufbau zum Beschichten selbst ist nicht dargestellt.
Die Zentrierung bzw. Fixierung der Prüfkörper 12 erfolgt durch die Manschette 16. Die 4 und 5 zeigen eine Prüfkörperhälfte 12 Im Zusammenwirken mit der Bohrschablone 36. Die Bohrschablone 36 weist Bohrungen 38, 40 auf, welche zum Anbringen der Bohrungen 22, 24 für den Zugversuch dienen (Kraftübertragung über die Bohrungen 22, 24 und Zylinderstifte von der Zugmaschine zum Prüfkörper 12).

10: Vorrichtung
12: Prüfkörper
14: Mantelflächen
16: Manschette
18: Innenfläche
20: Adapter
22: Bohrung
24: Bohrung
26: Bohrung
28: Bohrung
30: Einspannelement
32: Stoßbereich
34: Beschichtung
36: Bohrschablone
38: Bohrung
40: Bohrung
42: Endbereich
44: Mantelwandung

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer Beschichtung (34) mit den Schritten: a) Anordnen zweier zylindrischer Prüfkörper (12), wobei korrespondierende Basisflächen (14) der Prüfkörper (12) aneinander anliegen, und Fixieren der Prüfkörper in dieser Position mittels eines Halteelements (16); b) Beschichten einer Mantelfläche (18) der Prüfkörper (12) im Stoßbereich (32) der Prüfkörper (12); c) Lösen des Halteelements (16); d) Ausüben einer Zugkraft in Richtung der Symmetrieachse der Prüfkörper (12) bis zum Versagen der Beschichtung (34); dadurch gekennzeichnet, dass hohlzylindrische Prüfkörper (12) verwendet werden, wobei in Schritt b) eine innere Mantelfläche (18) der Prüfkörper (12) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Halteelement (16) eine die Prüfkörper (12) zumindest bereichsweise außenumfänglich umgebende Manschette (16) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (34) mit einem thermischen Spritzverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörper (12) einen Anbindungsbereich (26, 28) zum Verbinden der Prüfkörper mit einem Zugstempel einer Zugversuchseinrichtung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörper (12) über ein Adapterelement (20) mit dem jeweiligen Zugstempel verbunden werden.