-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an einem gehärteten Bauteil das Bauteil an einer oder mehreren Stellen zu durchtrennen, die auf diese Weise entstehenden Bauteilproben in ein Kunstharz einzubetten, zu schleifen und zu polieren. Dann werden, beginnend von der Oberfläche des Bauteils aus, mit einen normierten Werkzeug Eindrücke auf der Schnittfläche erzeugt und die Eindrücktiefe bzw. -fläche dann mit einem Mikroskop ausgemessen. Aus der Tiefe bzw. Fläche des Eindrucks kann auf die Härte des Bauteils geschlossen werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil anzugeben.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil wird in zumindest einem zu prüfenden Bereich ein Material des Bauteils ausgehend von einer Bauteiloberfläche des Bauteils bis in zumindest eine vorgegebene Tiefe abgetragen, und auf einer durch den Materialabtrag in der vorgegebenen Tiefe erzeugten Prüffläche wird eine Härteprüfung durchgeführt.
-
Das Verfahren ermöglicht insbesondere eine Ermittlung der Einhärtungstiefe, zum Beispiel an einem randschichtgehärteten Bauteil, mit einem geringen Zeit- und Kostenaufwand. Dabei kann eine Zerstörung des Bauteils vermieden werden, da das Bauteil nicht, wie im Stand der Technik üblich, zu durchtrennen ist. Des Weiteren entfällt auch die bei der herkömmlichen Härteprüfung erforderliche zeitaufwändige und oft nur manuell durchführbare metallografische Präparation des Bauteils vor der eigentlichen Prüfung. Es sind zudem weder Einbett- noch Schleif-/Poliermittel erforderlich, so dass gegenüber dem Stand der Technik eine Kostenreduzierung erreicht werden kann. Zudem wird mittels des Verfahrens auf einfache Weise auch eine flächenhafte Härtemessung ermöglicht.
-
Eine Bauteilvorbereitung kann vollautomatisch durchgeführt werden. Für die Härteprüfung mittels des Verfahrens ist nur ein geringer Flächenbedarf am Bauteil erforderlich. Das Bauteil kann danach, da es nicht durchtrennt wird, unter Umständen noch verwendet werden, wenn die Härteprüfung außerhalb einer Funktionsfläche durchgeführt werden kann und das Bauteil in seiner Festigkeit nicht zu stark beeinträchtigt ist. Das Verfahren erfordert nur einen geringen Zeitbedarf, da nur ein Arbeitsschritt vor der Härteprüfung erforderlich ist, in welchem das Material des Bauteils abgetragen wird. Eine aus dem Stand der Technik bekannte aufwändige Präparation ist, wie bereits erwähnt, nicht erforderlich.
-
Das Verfahren ermöglicht eine sehr schnelle Kontrolle, ob eine Grenzhärte in einer vorgegebenen Einhärtungstiefe erfüllt ist, beispielsweise die Grenzhärte in der Einhärtungstiefe DS gemäß EN10328. Hierfür ist es lediglich erforderlich, das Material des Bauteils bis in die vorgegebene Mindesttiefe, beispielsweise bis in die Mindesttiefe DS, abzutragen. Eine Kontrolle der Tiefe des Materialabtrags ist auf einfache Weise möglich, beispielsweise über ein Höhenmaß oder eine Lehre.
-
Es können mehrere Stellen des Bauteils, auch eng benachbart, gemessen, d. h. härtegeprüft werden. Des Weiteren können auch flächenhafte oder orthogonale/winklige Auswertungen gleichzeitig durchgeführt werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine Härteprüfung gemäß dem Stand der Technik,
-
2 schematisch ein mittels einer Härteprüfung nach dem Stand der Technik ermittelter Härteverlauf,
-
3 schematisch eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil,
-
4 schematisch eine perspektivische Darstellung eines zumindest bereichsweise gehärteten Bauteils,
-
5 schematisch eine Längsschnittdarstellung eines zumindest bereichsweise gehärteten Bauteils,
-
6 schematisch eine Detailansicht von 5,
-
7 schematisch den Beginn eines Materialabtrags an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil,
-
8 schematisch ein zumindest bereichsweise gehärtetes Bauteil mit abgeschlossenem Materialabtrag,
-
9 schematisch ein erster Schritt einer Härteprüfung,
-
10 schematisch ein zweiter Schritt einer Härteprüfung,
-
11 schematisch ein mittels eines Verfahrens zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil ermittelter Härteverlauf,
-
12 schematisch ein weiteres zumindest bereichsweise gehärtetes Bauteil mit abgeschlossenem Materialabtrag,
-
13 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil,
-
14 schematisch ein weiteres zumindest bereichsweise gehärtetes Bauteil mit abgeschlossenem Materialabtrag,
-
15 schematisch ein weiteres zumindest bereichsweise gehärtetes Bauteil mit abgeschlossenem Materialabtrag,
-
16 schematisch ein Verlauf eines Materialabtrags an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil,
-
17 schematisch eine erste Ausführungsform einer Durchführung eines Materialabtrags an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil,
-
18 schematisch eine zweite Ausführungsform einer Durchführung eines Materialabtrags an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil, und
-
19 schematisch eine dritte Ausführungsform einer Durchführung eines Materialabtrags an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt schematisch eine Härteprüfung gemäß dem Stand der Technik. Eine der häufigsten Anwendungen in der Härteprüfung ist die Ermittlung der Einhärtetiefe an einem randgehärteten Bauteil 1. Nach dem Randhärten weist das Bauteil 1, ausgehend von einer Bauteiloberfläche 1.1, einen gehärteten Bereich 1.2 auf. Die Einhärtetiefe wird mit Hilfe eines Härteverlaufs V, beginnend am Probenrand in Richtung des Probenkerns, ermittelt. Der Härteverlauf V wird, wie in 2 gezeigt, in einer Kurve dargestellt und der Abstand zwischen Probenrand und der so genannten Grenzhärte berechnet.
-
Es gibt verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Grenzhärte, um damit den so genannten CHD-Wert zu ermitteln. Das jeweils verwendete Verfahren ist abhängig vom verwendeten Härteprozess. Generell werden drei Wege zur Bestimmung der Grenzhärte unterschieden. Bei aufgekohlten oder carbonitrierten Bauteilen 1 (EN ISO 2639) beträgt die Grenzhärte 550 HV. CHD (Eht) ist hier die Distanz von der Bauteiloberfläche 1.1 bis zu dem Punkt, an dem die Härte 550 HV beträgt. Bei induktiv gehärteten oder flammengehärteten Bauteilen 1 (EN 10328, ISO 3754) beträgt die Grenzhärte 80% (Minimum) der Oberflächenhärte. CHD (Rht) ist hier die Distanz von der Bauteiloberfläche 1.1 bis zu dem Punkt, an dem die Härte 80% (Minimum) der Oberflächenhärte beträgt. Bei nitrierten Teilen (DIN 50190-3) ist die Grenzhärte gleich der Kernhärte plus 50 HV. CHD (Nht, NCD) ist hier die (maximale) Distanz von der Bauteiloberfläche 1.1 bis zu dem Punkt, an dem die Härte 50 HV über der Kernhärte liegt.
-
Die Härteprüfung erfolgt mittels einer so genannten Schliffbildmethode. Hierfür wird, wie in 1 dargestellt, ein metallografischer Schliff beispielsweise aus einer randschichtgehärteten Welle herausgetrennt und daran die Härteprüfung durchgeführt. Härteeindrücke 2 der Härteprüfung sind durch Punkte dargestellt. Eine Eindrücktiefe der Härteeindrücke 2 wird ermittelt und daraus die Härte der Welle an der jeweiligen Stelle ermittelt. In 2 ist der nach dem Stand der Technik ermittelter Härteverlauf V schematisch dargestellt. Das Diagramm gibt die ermittelte Härte in einem jeweiligen Oberflächenabstand a von der Bauteiloberfläche 1.1 der Welle wieder. Die Härte wird hier als Vickershärte HV ermittelt. Das Bauteil 1 weist an der Bauteiloberfläche 1.1 eine maximale Vickershärte HVmax auf. Tiefer im Bauteil 1 weist dieses eine Mindestvickershärte HVmin auf. Bei 80% dieser Mindestvickershärte HVmin, d. h. bei dem 0,8 fachen der Mindestvickershärte HVmin, ist eine Mindesteinhärttiefe DS erreicht. Diese Mindesteinhärttiefe DS würde in diesem Beispiel 0,5 mm betragen.
-
Für eine derartige Härteprüfung nach dem Stand der Technik ist es erforderlich, die Welle zu durchtrennen und einen Teil der Welle, welcher als Probe für die Härteprüfung verwendet wird, einzubetten und eine durch das Durchtrennen gebildete Schnittfläche 1.3 zu schleifen und zu polieren. Dann werden, beginnend von der Bauteiloberfläche 1.1 des Bauteils 1 aus, Härteindrücke 2 auf die Schnittfläche 1.3 gelegt, wie in 1 dargestellt, und diese dann mit einem Mikroskop 3 ausgemessen. Aus der Fläche des jeweiligen Härteeindrucks 2 kann auf die Härte des Bauteils 1 geschlossen werden. Aus diesem Verfahren nach dem Stand der Technik resultieren erhebliche Nachteile. Das Verfahren erfordert einen hohen Aufwand für eine Präparation. Unter Umständen sind mehrere Schnitte erforderlich, um an eine gewünschte Stelle für die Härteprüfung zu gelangen. Die metallografische Präparation ist sehr zeitaufwändig und muss an vielen Stellen manuell durchgeführt werden. Das Bauteil 1 wird durch das Verfahren nach dem Stand der Technik zwingend zerstört, da es durchtrennt werden muss. Einbett- sowie Schleif-/Poliermittel sind ein zusätzlicher Kostenfaktor. Eine flächenhafte Härtemessung ist aufgrund vieler erforderlicher Schnittebenen, welche aufgrund einer erforderlichen Stabilität der Probe einen vorgegebenen Abstand erfordern, sehr aufwändig oder nicht durchführbar. Des Weiteren können nicht gleichzeitig Härtebilder längs und quer einer Härtespur erstellt werden. Eine dreidimensionale Erfassung von Härteverläufen V ist extrem aufwändig. Selbst eine Kontrolle lediglich der Mindesteinhärttiefe DS erfordert den gesamten Präparationsaufwand.
-
Um diese Nachteile bei der Härteprüfung zu vermeiden, wird die Härteprüfung mittels eines im Folgenden näher beschriebenen Verfahrens durchgeführt, dessen Verlauf in 3 schematisch stark vereinfacht dargestellt ist. Vor Beginn des Verfahrens wird ein Werkstück zumindest bereichsweise gehärtet, um das in 3 in einem Vorverfahrensschritt WS dargestellte gehärtete Bauteil 1 zu erhalten. Das Bauteil 1 ist beispielsweise eine Welle, welche einen randschichtgehärteten Lagersitz aufweist, d. h. es ist nicht das gesamte Bauteil 1 gehärtet, sondern es ist ein vorgegebener Bereich des Bauteils 1 gehärtet, im hier dargestellten Beispiel ist der Lagersitz randschichtgehärtet. Die 4 und 5 zeigen dieses Bauteil 1 noch einmal in einer perspektivischen Darstellung bzw. in einer Längsschnittdarstellung. Dabei ist in 5 die umlaufende Härtespur des gehärteten Bereichs 1.2 am Bauteil 1 zu erkennen. Diese Härtezone ist in 6 nochmals in einer Detailansicht dargestellt.
-
Das Härten, üblicherweise von Stahl, dient zur Steigerung der Festigkeit und zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften. Grundlegende Voraussetzungen, um Stahl zu härten, sind genügend Kohlenstoff und Legierungselemente. Ist der Kohlenstoffanteil hoch genug, kann der Stahl sofort gehärtet werden. Ansonsten muss die Bauteiloberfläche 1.1 des Bauteils 1 mittels einer Wärme-Diffusionsbehandlung aufgekohlt werden. Gehärtete Stahlteile finden üblicherweise bei Bauteilen 1 mit bewegender oder rotierender Beanspruchung ihren Einsatz, wo hohe Verschleißfestigkeit und/oder Festigkeit gefordert wird, wie zum Beispiel bei Getriebe- und Motorteilen oder auch bei Einspritzpumpen und Düsen. Da das Härten den Stahl spröde macht, wird die Oberflächenhärtung eingesetzt, um den Kern des Bauteils 1 duktil zu belassen.
-
In dem Verfahren zur Ermittlung der Einhärtungstiefe an dem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil 1 wird in zumindest einem zu prüfenden Bereich ein Material des Bauteils 1 ausgehend von der Bauteiloberfläche 1.1 des Bauteils 1 bis in zumindest eine vorgegebene Tiefe abgetragen und auf einer durch den Materialabtrag in der vorgegebenen Tiefe erzeugten Prüffläche 1.4 wird eine Härteprüfung durchgeführt. Der zumindest eine zu prüfende Bereich befindet sich dabei zweckmäßigerweise im gehärteten Bereich 1.2 des Bauteils 1. Das Material des Bauteils 1 wird zumindest teilweise mittels eines kalten Abtragsverfahrens und/oder mittels eines chemischen und/oder elektrochemischen Abtragsverfahrens abgetragen. Beispielsweise wird das Material des Bauteils 1 zumindest teilweise mittels zumindest eines Ultrakurzpulslasers und/oder durch Erodieren abgetragen.
-
Im in 3 dargestellten Beispiel wird in dem Verfahren in einem ersten Verfahrensschritt VS1 das Material des Bauteils 1 in dem zu prüfenden Bereich ausgehend von der Bauteiloberfläche 1.1 des Bauteils 1 bis in eine vorgegebene Tiefe abgetragen. Dieser Materialabtrag wird im dargestellten Beispiel mittels eines so genannten ps-Lasers 4 durchgeführt, d. h. mittels eines Lasers mit einer Pulsdauer im Pikosekundenbereich oder Femtosekundenbereich. In 7 ist dieser Materialabtrag nochmals detailliert dargestellt. Mittels eines derartigen ps-Lasers 4 wird ein kalter oder zumindest ein quasikalter Materialabtrag erreicht, so dass die durch den Materialabtrag erzeugte Oberfläche nicht thermisch beeinflusst wird. Der ps-Laser 4, welcher die Oberfläche schichtweise abträgt, kann für den Materialabtrag relativ zum Bauteil 1 bewegt werden oder der ps-Laser 4 und das Bauteil 1 stehen still und ein Laserstrahl des ps-Lasers 4 wird mittels eines so genannten Scanners positioniert, d. h. er wird mittels des Scanners abgelenkt und dadurch auf vorgegebene Weise über das Bauteil 1 geführt, wie durch einen Doppelpfeil P angedeutet.
-
Nachdem der ps-Laser 4 eine Oberflächenkontur erzeugt hat, d. h. das Material des Bauteils 1 auf vorgegebene Weise abgetragen hat, wird in einem zweiten und dritten Verfahrensschritt VS2, VS3 auf der durch den Materialabtrag in der vorgegebenen Tiefe erzeugten Prüffläche 1.4 eine Härteprüfung durchgeführt, wie in 3 dargestellt. Diese Härteprüfung kann analog bereits bekannten Verfahren durchgeführt werden, d. h. es werden zunächst im zweiten Verfahrensschritt VS2 mittels eines Härteprüfgerätes 5 Härteeindrücke 2 gesetzt und diese Härteeindrücke 2 werden im dritten Verfahrensschritt VS3 mittels eines Mikroskops 3 mit einer entsprechenden Messmöglichkeit vermessen und daraus die Härte ermittelt.
-
Für die Härteprüfung stehen eine Vielzahl bekannter Verfahren zur Verfügung, zum Beispiel die Härteprüfung nach Vickers, die Härteprüfung nach Knoop, die Härteprüfung nach Brinell oder die Härteprüfung nach Rockwell. Bei der Härteprüfung nach Vickers wird die Vickershärte HV mit Hilfe der beiden Längen der Eindruckdiagonalen berechnet, die nach der Belastung der Probenoberfläche mit einem pyramidenförmigen Diamanteindringkörper unter definierter Prüfkraft zurückbleiben. Die verwendete Prüfkraft kann zwischen 10 gf (1 gf) und maximal 100 kgf liegen. Die Vickers-Methode ist zum Testen von festem Material geeignet und hat viele Anwendungsmöglichkeiten. Normen für die Härteprüfung nach Vickers sind beispielsweise:
- – ASTM E384 – Mikro/Makro Prüfkraftbereiche
- – ISO 6507 – Mikro-/Makro Prüfkraftbereiche
- – JIS Z 2244
-
Das Knoop-Verfahren wurde als Alternative zum Vickers-Verfahren entwickelt, um die Rissbildung bei spröden Materialien zu vermeiden und zudem in sehr dünnen Schichten zu messen. Der Knoop-Eindringkörper ist ebenfalls eine Diamantpyramide, die jedoch nicht achsensymmetrisch, sondern in einer Achse gestreckt ist. Die Knoophärte (HK) wird mit Hilfe der längeren Diagonale des zurückbleibenden Eindrucks ermittelt. Normen für die Härteprüfung nach Knoop sind beispielsweise:
- – ASTM E384
- – 180 4545
- – JIS Z 2251
-
Bei dem Brinell-Verfahren wird eine Wolframkarbidkugel mit einem Durchmesser von 1 mm, 2,5 mm, 5 mm oder 10 mm in die Probenoberfläche eingedrückt und der Durchmesser des bleibenden Eindrucks vermessen. Die Prüfkräfte variieren zwischen 1 kgf und 3000 kgf. Brinell wird meist bei großen Werkstücken mit grober oder inhomogener Kornstruktur verwendet, beispielsweise bei Guss- oder Schmiedeteilen. Normen für die Härteprüfung nach Brinell sind beispielsweise:
- – ASTM E10
- – ISO 6506
- – JIS Z 2243
-
Im Gegensatz zu den optischen Methoden Vickers, Knoop und Brinell wird bei der Rockwell-Prüfung die Eindrucktiefe gemessen. Je tiefer ein definierter Eindringkörper unter definierter Prüfkraft in die Probenoberfläche eindringt, desto weicher ist das getestete Material. Die verschiedenen Rockwell-Methoden verwenden fünf unterschiedliche Eindringkörper (Diamantkegel oder Wolframkarbidkugel mit 1/16'', 1/8'', ¼'' oder ½'') und sechs unterschiedliche Hauptprüfkräfte (15 kgf, 30 kgf, 45 kgf, 60 kgf, 100 kgf, 150 kgf). Dies ermöglicht 30 verschiedene Rockwell-Skalen für verschiedenste Materialien und Anwendungsbereiche (z. B. HRA, HRB, HRC, HR30N usw.).
-
In 8 ist eine im ersten Verfahrensschritt VS1 durch den Materialabtrag erzeugte beispielhafte Endkontur näher dargestellt. In diesem Beispiel wurde das Material des Bauteils 1 stufenförmig bis in eine Mehrzahl vorgegebener Tiefen abgetragen, so dass eine Mehrzahl von Prüfflächen 1.4 in der Mehrzahl vorgegebener Tiefen erzeugt werden. Dadurch wird eine in den 9 und 10 dargestellte anschließende Ermittlung des Verlaufs der Härte in die Tiefe des Bauteils 1 ermöglicht. Wie in 9 dargestellt, werden mittels des auch als Härteprüfkopf bezeichneten Härteprüfgeräts 5, welches zum Beispiel einen Diamantkegel aufweist, nacheinander auf jeder Stufe, d. h. auf jeder Prüffläche 1.4, jeweils zumindest ein Härteeindruck 2 gesetzt. Die Stufen weisen beispielsweise jeweils eine Höhe von 0,1 mm bis 0,2 mm auf, analog einem Abstand der Härteeindrücke 2 in die Tiefe des Bauteils 1 bei einem herkömmlichen Härteprüfverfahren. Es können auch mehrere Härteeindrücke 2 pro Stufe, d. h. pro Prüffläche 1.4, erzeugt werden, um dadurch beispielsweise eine Mittelwertbildung bei einem inhomogenen Gefüge zu ermöglichen. Anschließend werden, wie in 10 dargestellt, die erzeugten Härteeindrücke 2 mittels des Mikroskops 3 ausgemessen. Aus den derart ermittelten Härtewerten wird dann das in 11 dargestellte Diagramm des Härteverlaufs V erzeugt.
-
In den weiteren 12 bis 19 sind mögliche Ausprägungen und Varianten des Verfahrens dargestellt. So kann der Materialabtrag im ersten Verfahrensschritt VS1 beispielsweise, wie in 12 dargestellt, in Form konzentrischer Kreise oder als eine umgekehrte Pyramide erfolgen. Dadurch wird es ermöglicht, an verschiedenen Stellen des Bauteils 1 die Härte zu ermitteln oder eine Breite des gehärteten Bereichs 1.2 zu bestimmen. Des Weiteren kann der Materialabtrag beispielsweise auch nutförmig erfolgen. Dies ermöglicht es, die Härte an verschiedenen Stellen zu ermitteln. Auch beispielsweise orthogonale oder winklige Materialabträge sind möglich, um eine Härteprüfung an den entsprechenden Stellen durchzuführen. Kreuzförmige oder rechteckige Konturen des Materialabtrags ermöglichen die Härteprüfung in zwei Richtungen.
-
In 13 ist eine weitere Variante des Verfahrens dargestellt. Hierbei werden der Materialabtrag und die Härteprüfung mehrfach abwechselnd durchgeführt. D. h. nach dem ersten Materialabtrag und der anschließenden ersten Härteprüfung durch Setzen und Auswerten der Härteeindrücke 2 wird ausgehend von der erzeugten ersten Prüffläche 1.4 weiteres Material des Bauteils 1 bis in zumindest eine weitere vorgegebene Tiefe abgetragen und auf einer durch diesen weiteren Materialabtrag in der weiteren vorgegebenen Tiefe erzeugten weiteren Prüffläche 1.4 eine weitere Härteprüfung durch Setzen und Auswerten der Härteeindrücke 2 durchgeführt. In 13 sind beispielhaft drei aufeinander folgende Materialabträge und Härteprüfungen schematisch dargestellt. Diese Variante des Verfahrens ermöglicht eine dreidimensionale Erfassung der Härtewerte des Bauteils 1, so dass eine dreidimensionale Landkarte der Härtewerte des gehärteten Bereichs 1.2 erstellt werden kann.
-
Eine weitere Variante des Verfahrens ist in den 14 und 15 dargestellt. Diese Variante ermöglicht eine schnelle Kontrolle, ob die Mindesteinhärttiefe DS der Härtung erreicht ist. Dazu wird das Material des Bauteils 1 bis in die Mindesteinhärttiefe DS abgetragen. In 14 erfolgt dieser Materialabtrag an zwei Stellen des gehärteten Bereichs 1.2, d. h. in zwei zu prüfenden Bereichen, jeweils auf einer relativ geringen Fläche. In 15 erfolgt dieser Materialabtrag in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens an einer Stelle des Bauteils 1, d. h. lediglich in einem zu prüfenden Bereich, jedoch über eine relativ große Fläche des gehärteten Bereichs 1.2. Durch eine anschließende Härteprüfung in dieser Mindesteinhärttiefe DS kann dann ermittelt werden, ob die vorgegebene Härte in dieser Mindesteinhärttiefe DS erreicht ist oder nicht. Wird in dieser Mindesteinhärttiefe DS beispielsweise eine Härte erreicht, welche dem 0,8-fachen der Oberflächenhärte entspricht, so ist das Kriterium erfüllt.
-
In 16 ist eine weitere Variante des Verfahrens dargestellt. Hier erfolgt der Materialabtrag in einer vorgegebenen Konturform. Dies kann beispielsweise, wie in 16 dargestellt, in mehreren Materialabtragsschritten erfolgen, wobei nach jedem Materialabtragsschritt eine Härteprüfung durchgeführt wird. Dadurch wird eine Kontrolle einer gewünschten Härtegeometrie ermöglicht. Die Konturform des Materialabtrags entspricht dann beispielsweise im letzten Materialabtragsschritt der gewünschten Härtegeometrie. Durch die Härteprüfung kann dann ermittelt werden, ob die Härtung des Bauteils 1 derart erfolgt ist, dass die gewünschte Härtegeometrie erreicht wurde.
-
In den 17 bis 19 ist die Durchführung des Materialabtrags anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher dargestellt. So wird in 17 zunächst ein Teil des Materials des Bauteils 1 mit einem gepulsten ns-Laser 6 abgetragen, d. h. mittels eines Lasers mit einer Pulsdauer im Nanosekundenbereich. Dadurch wird eine Bearbeitungszeit mittels des ps-Lasers 4 reduziert.
-
Der ns-Laser 6 weist eine hohe Abtragsrate auf und ermöglicht daher in kürzerer Zeit einen größeren Materialabtrag. Allerdings erfolgt der Materialabtrag mittels des ns-Lasers 6 thermisch. D. h. es wird zunächst mit dem gepulsten ns-Laser 6 Material aus einem größeren Bereich des Bauteils 1 thermisch abgetragen, wodurch zunächst eine Grobkontur erzeugt wird. Damit das durch thermische Einflüsse veränderte Material des Bauteils 1 die Härteprüfung nicht verfälscht, wird anschließend die thermisch beeinflusste Oberflächenzone 7 des Bauteils 1, in welcher das Material des Bauteils 1 angelassen und angeschmolzen wurde, mit dem ps-Laser 4 entfernt, wodurch die Fertigkontur für die anschließende Härteprüfung erzeugt wird. Der ps-Laser 4 weist zwar eine geringere Abtragsrate auf, ermöglicht jedoch, wie bereits oben geschildert, einen kalten oder zumindest quasikalten Materialabtrag, so dass die anschließende Härteprüfung nicht durch thermisch beeinflusstes Material des Bauteils 1 verfälscht wird.
-
Eine weitere Variante zur Durchführung des Materialabtrags vor der Härteprüfung ist in 18 dargestellt. In dieser Variante erfolgt zunächst ein Materialabtrag aus einem größeren Bereich des Bauteils 1 durch eine spanende Vorbearbeitung, beispielsweise durch Fräsen, Schleifen oder Bohren, zum Beispiel mittels eines Bohrers 8 oder Senkers. Hierdurch erfolgt eine thermische und mechanische Beeinflussung des Materials. D. h. es wird zunächst ein größerer Bereich des Bauteils 1 abgetragen, wodurch zunächst eine Grobkontur erzeugt wird, in dieser Ausführungsform durch eine spanende Vorbearbeitung. Anschließend wird auch hier die thermisch und mechanisch beeinflusste Oberflächenzone 7 des Bauteils 1, in welcher das Material des Bauteils 1 durch die spanende Bearbeitung thermisch und mechanisch beeinflusst wurde, mit dem ps-Laser 4 entfernt, wodurch die Fertigkontur für die anschließende Härteprüfung erzeugt wird.
-
In 19 ist eine weitere Variante des Materialabtrags dargestellt. In dieser Ausführungsform des Verfahrens wird der Materialabtrag mittels eines elektrochemischen Verfahrens durchgeführt, um die Kontur und damit die Prüffläche 1.4 oder die Mehrzahl von Prüfflächen 1.4 für die Härteprüfung zu erzeugen. Der Materialabtrag wird beispielsweise mittels elektrochemischem Abtragen durchgeführt, auch als Electrochemical Machining (ECM) bezeichnet.
-
Hierzu wird das Bauteil 1 in ein Elektrolytbad 9 eingelegt und das Material mittels einer Formelektrode 10 abgetragen, die eine Negativform der beabsichtigten Fertigkontur aufweist. Die Formelektrode 10 ist dabei aus einem edleren Werkstoff ausgebildet als das Bauteil 1. Es wird eine elektrische Spannung zwischen der Formelektrode 10 und dem Elektrolyt erzeugt. Daraus resultiert ein starkes magnetisches Feld. Es fließt ein starker Strom, welcher Partikel aus dem Bauteil 1 herauslöst. Das abgelöste Material des Bauteils 1 sammelt sich dann im Elektrolytbad 9.
-
Auch hier kann eine Nachbehandlung der erzeugten Kontur mittels des ps-Lasers 4 erfolgen, falls erforderlich. Alternativ kann auch die mittels des elektrochemischen Abtragens erzeugte Kontur als Fertigkontur genutzt werden, d. h. als Prüffläche 1.4 oder Prüfflächen 1.4 für die anschließende Härteprüfung.
-
Das beschriebene Verfahren und dessen Ausführungsformen ermöglichen beispielsweise eine Ermittlung der Einhärtungstiefe, zum Beispiel an einem randschichtgehärteten Bauteil 1, mit einem geringen Zeit- und Kostenaufwand. Dabei kann insbesondere eine Zerstörung des Bauteils 1 vermieden werden, da das Bauteil 1 nicht, wie im Stand der Technik üblich, zu durchtrennen ist. Des Weiteren ist auch keine zeitaufwändige und oft nur manuell durchführbare metallografische Präparation des Bauteils 1 vor der Härteprüfung erforderlich. Es sind zudem weder Einbett- noch Schleif-/Poliermittel erforderlich, so dass gegenüber dem Stand der Technik eine Kostenreduzierung erreicht ist. Zudem wird mittels des Verfahrens auf einfache Weise auch eine flächenhafte Härtemessung ermöglicht.
-
Eine Bauteilvorbereitung kann vollautomatisch durchgeführt werden. Für die Härteprüfung mittels des Verfahrens ist nur ein geringer Flächenbedarf am Bauteil 1 erforderlich. Das Bauteil 1 kann danach, da es nicht durchtrennt wird, unter Umständen noch verwendet werden, wenn die Härteprüfung außerhalb einer Funktionsfläche durchgeführt werden kann und das Bauteil 1 in seiner Festigkeit nicht zu stark beeinträchtigt ist. Das Verfahren erfordert nur einen geringen Zeitbedarf, da nur ein Arbeitsschritt vor der Härteprüfung erforderlich ist, in welchem das Material des Bauteils 1 abgetragen wird. Eine aus dem Stand der Technik bekannte aufwändige Präparation ist, wie bereits erwähnt, nicht erforderlich.
-
Das Verfahren ermöglicht eine sehr schnelle Kontrolle, ob eine Grenzhärte in einer vorgegebenen Einhärtungstiefe erfüllt ist, beispielsweise die Grenzhärte in der Mindesteinhärttiefe DS gemäß EN10328. Hierfür ist es lediglich erforderlich, das Material des Bauteils 1 bis in die vorgegebene Mindesttiefe, beispielsweise bis in die Mindesteinhärttiefe DS, abzutragen. Eine Kontrolle der Tiefe des Materialabtrags ist auf einfache Weise möglich, beispielsweise über ein Höhenmaß oder eine Lehre.
-
Es können mehrere Stellen des Bauteils 1, auch eng benachbart, gemessen, d. h. härtegeprüft werden. Des Weiteren können auch flächenhafte oder orthogonale/winklige Auswertungen gleichzeitig durchgeführt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- EN10328 [0009]
- EN ISO 2639 [0034]
- EN 10328 [0034]
- ISO 3754 [0034]
- DIN 50190-3 [0034]
- ASTM E384 [0042]
- ISO 6507 [0042]
- JIS Z 2244 [0042]
- ASTM E384 [0043]
- 180 4545 [0043]
- JIS Z 2251 [0043]
- ASTM E10 [0044]
- ISO 6506 [0044]
- JIS Z 2243 [0044]
- EN10328 [0059]
