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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Haftung einer Beschichtung auf einer Mantelinnenfläche einer in einem Substrat vorliegenden Zylinderbohrung und eine entsprechende Vorrichtung, um das Verfahrens durchzuführen.
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Die Haftung einer auf einem Substrat aufgebrachten Beschichtung, beispielsweise einer Beschichtung auf einer Zylinderlaufbahn, die zur Verbesserung der Haftung beispielsweise mittels Hochdruckwasserstrahl oder mechanisch aufgeraut ist, ist ein elementares Funktionsmerkmal des entsprechenden Bauteils. Diese Haftung soll geeigneter Weise sowohl in der Prozessentwicklung als auch in der Serienprüfung überprüft werden.
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Es gibt bereits unterschiedliche Verfahren, um die Zugfestigkeit von Beschichtungen zu prüfen. Im sogenannten „Tubular-Coating-Tensile-Test” wird die Zugfestigkeit innerhalb der Beschichtungsebene, also senkrecht zur Flächennormalen auf die beschichtete Oberfläche geprüft. Dabei werden zwei zylindrische Prüfkörper so angeordnet, 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. Danach wird die Fixierung gelöst, so dass die Prüfkörper ausschließlich durch die Beschichtung zusammengehalten werden, und eine Zugkraft entlang der Rotationssymmetrieachse der zylindrischen Prüfkörper ausgeübt. 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.
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Zur Prüfung einer Innenbeschichtung mit konkaver Krümmung, wie sie im Kraftfahrzeugbau, insbesondere bei Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen eingesetzt wird, ist aus der
DE 10 2009 032 817 A1 ein Prüfverfahren bekannt, bei dem zwei hohlzylindrische Prüfkörper mit ihren korrespondierenden Basisflächen aneinander anliegend angeordnet und mittels eines Halteelements fixiert werden. Im Stoßbereich wird die innere 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.
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Im so genannten Haftzugversuch wird ein Prüfkörper auf die zu überprüfende Beschichtung eines Bauteils geklebt und anschließend wird eine Zugkraft in Richtung einer Flächennormalen der beschichteten Fläche ausgeübt, bis der Zusammenhalt von Beschichtung und Substrat zusammenbricht. Die
DE 10 2011 120 559 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens an einer beschichteten Zylinderlauffläche. Allerdings wird hier die Beschichtung auf Zug beansprucht. Diese Beanspruchung entspricht jedoch nicht den im Betrieb tatsächlich auftretenden Belastungen, bei denen die Beschichtung auf Scherung belastet wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein funktionsorientiertes Prüfverfahren bereitzustellen, mit dem erweiterte, über Zugbeanspruchung hinaus gehende Aussagen über die Haftung der Beschichtung bei den im Betrieb tatsächlich auftretenden Belastungen getroffen werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die entsprechende Prüfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Weiterbildungen der Gegenstände sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erfindungsgemäßes Verfahren, mit dem die Haftung einer Beschichtung geprüft wird, die auf einer Mantelinnenfläche einer in einem Substrat vorliegenden Zylinderbohrung aufgebracht ist, umfasst das koaxiale Anbringen eines Prüfrings an der Beschichtung in der Zylinderbohrung, wobei der Außendurchmesser des Prüfrings dem Durchmesser der beschichteten Zylinderbohrung entspricht. Der Prüfring wird mit einer Prüfkraft in einer Richtung axial zur Längsachse der Zylinderbohrung beaufschlagt. Die Prüfkraft wird solange gesteigert, bis der Prüfring mit der Beschichtung von dem Substrat abschert, d. h. mit zumindest dem Abschnitt der Beschichtung, an dem der Prüfring angebracht ist. Dabei wird die Prüfkraft gemessen. So erfolgt die Haftungsprüfung funktionsorientiert mit einer Scherbelastung, wie sie im tatsächlichen Betrieb auch auftritt.
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Vorteilhaft kann hierbei die Prüfkraft querkraftfrei in den Prüfring eingeleitet werden, so dass die Messwerte eine geringere Streuung aufweisen.
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Um das definierte Abscheren des Prüfrings mitsamt der Beschichtung, an der der Prüfring angebracht ist, von der Zylinderbohrung zu erreichen, kann nach oder vorzugsweise vor dem Anbringen des Prüfrings ein ringförmiger Freischnitt bzw. Einstich in der Beschichtung auf der kraftabgewandten Seite des Prüfrings erzeugt werden. Die Tiefe des Freischnitts entspricht dabei im Wesentlichen der Dicke der Beschichtung, sie kann gegebenenfalls auch darüber hinausgehen. Optional kann auch auf der kraftzugewandten Seite des Prüfrings ein ringförmiger Freischnitt bzw. Einstich in der Beschichtung vorgesehen und entsprechend vor oder nach dem Anbringen des Prüfrings in der Zylinderbohrung erzeugt werden.
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Um eine gute Haftung des Prüfrings an der Beschichtung zu erreichen, kann das Anbringen des Prüfrings an der Beschichtung mittels Kleben oder Löten erfolgen.
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Die Mantelinnenfläche der Zylinderbohrung, an der die zu prüfende Beschichtung aufgebracht ist, kann aktiviert sein, um eine bessere Haftung der Beschichtung zu erreichen. Das Aktivieren kann beispielsweise mittels Hochdruckwasserstrahlen oder mechanischem Aufrauen erfolgen. Bei der Beschichtung, deren Haftung an dem Substrat überprüft werden soll, kann es sich um eine thermische Spritzschicht handeln, die etwa durch Lichtbogendrahtspritzen oder PTWA (plasma transferred wire arc) erzeugt wurde. Die Prüfung der Beschichtungshaftung kann sowohl in einem unbearbeiteten Zustand der Beschichtung, als auch einem schruppgehonten oder schruppgedrehten Zustand oder einem fertig bearbeiteten Zustand der Beschichtung erfolgen. Mit der Prüfmöglichkeit der Beschichtung im fertig bearbeiteten Zustand werden Ergebnisse der tatsächlichen Funktionsschicht, wie sie zum Einsatz kommt, erhalten.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der die Haftung einer Beschichtung auf einer Mantelinnenfläche einer in einem Substrat vorliegenden Zylinderbohrung geprüft werden kann, ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinen Ausführungsformen vorgesehen. Die Vorrichtung weist einen Prüfring mit einem Außendurchmesser auf, der einem Durchmesser der beschichteten Zylinderbohrung entspricht, so dass der Prüfring koaxial in der im Substrat vorliegenden Zylinderbohrung an der Beschichtung anbringbar ist. Ferner weist die Prüfvorrichtung eine Krafteinleitungsvorrichtung auf, die zur Beaufschlagung des Prüfrings mit einer Prüfkraft und zur Messung der Prüfkraft ausgebildet ist.
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Dazu kann die Krafteinleitungsvorrichtung einen zylinderförmigen Stempel aufweisen, der in einer Prüfanordnung auf dem in der Zylinderbohrung angeordneten Prüfring aufliegt, wobei der Durchmesser des Stempels geringfügig kleiner oder gleich dem Außendurchmesser des Prüfrings ist, so dass der Stempel in die beschichtete Zylinderbohrung eindringen kann, jedoch möglichst vollflächig auf dem Prüfring aufliegt.
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Ferner ist die Krafteinleitungsvorrichtung so ausgebildet, dass eine querkraftfreie Krafteinleitung in den Prüfring erfolgt.
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Zu diesem Zweck kann die Krafteinleitungsvorrichtung in der Prüfanordnung auf der von dem Prüfring abgewandten Seite des Stempels ein zentriert angeordnetes Kugel- oder Kalottenelement aufweisen.
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Als Mittel zur Aufbringung und Messung der Prüfkraft kann die Krafteinleitungsvorrichtung eine Presse vorsehen.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung und zeigt eine Seitenschnittansicht durch eine beschichtete Zylinderbohrung mit einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur funktionsorientierten Prüfung der Haftung einer Beschichtung auf einer durch Hochdruckwasserstrahlen oder mechanisches Aufrauen oder ähnliches aktivierten Zylinderlaufbahn. Die Beschichtungshaftung ist ein elementares Funktionsmerkmal und muss im Rahmen einer Prozessentwicklung und in der Serienprüfung geprüft werden.
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Bei den bislang zur Prüfung eingesetzten Haftzugversuchen, bei denen auf die beschichteten Oberfläche ein Prüfstempel auf die zu prüfende Oberfläche geklebt und anschließend mit Messung der Abzugskraft von der Oberfläche abgezogen wird, wird allerdings die Beschichtung auf Zug beansprucht. Diese Beanspruchung entspricht jedoch nicht den im Betrieb tatsächlich wirkenden Belastungen. Im Betrieb eines Motors wird die Beschichtung durch die Bewegung des Kolbenrings in axialer Richtung und durch die Drehung des Kolbenrings im Kolben auf Scherung beansprucht. Ferner streuen die Messergebnisse aufgrund der punktuell durchgeführten Haftzugversuche sehr stark.
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Erfindungsgemäß wird, wie in 1 skizziert ist, zur funktionsorientierten Prüfung der Beschichtung 11 auf die beschichtete Substratoberfläche 10 in der Zylinderbohrung 12 ein Prüfring 1 aufgebracht. Dazu weist der Prüfring 1 einen Außendurchmesser auf, der dem Durchmesser der Zylinderbohrung 12 mit Beschichtung 11 entspricht, so dass der Prüfring 1 koaxial in der Zylinderbohrung 12 an der Beschichtung 11 angebracht werden kann. Die Befestigung des Prüfrings 1 an der Beschichtung 11 kann mittels einer Klebe- oder Lötverbindung 5 oder ähnlichem erfolgen.
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Der Prüfring wird dann durch eine Krafteinleitungsvorrichtung mit einer Prüfkraft FPrüf in einer Richtung axial zur Längsachse A der Zylinderbohrung 12 beaufschlagt, so dass die Beschichtung 11 an der Stelle, an der der Prüfring 1 angebracht ist, auf Scherung beansprucht wird. Die Prüfkraft FPrüf wird solange gesteigert, bis der Prüfring 1 mitsamt Beschichtung 11 vom Substrat 10 abschert, wobei die Prüfkraft FPrüf durch die Krafteinleitungsvorrichtung gemessen wird, so dass mit der Kraft, bei der der Prüfring mit Beschichtung abgeschert wird, eine funktionsorientierte, der tatsächlichen Belastung im Betrieb entsprechende Aussage über die Haftkraft der Beschichtung an der Zylinderwand erhalten wird.
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Um die Prüfkraft FPrüf auf den Prüfring 1 gleichmäßig zu vermitteln, weist die Krafteinleitungsvorrichtung einen zylinderförmigen Stempel 2 mit einem Durchmesser auf, der dem Außendurchmesser des Prüfrings 1 in etwa entspricht, so dass der Stempel 2 den Prüfring 1 flächendeckend kontaktiert. Wie in 1 angedeutet kann der Durchmesser des Stempels 2 etwas kleiner als der Außendurchmesser des Prüfrings 1 sein, um ein reibungsfreies Eindringen des Stempels 2 in die Zylinderbohrung 12 zu erlauben.
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Die Prüfkraft FPrüf wird dabei querkraftfrei, im vorliegenden Beispiel durch ein zentriert angeordnetes Kalottenelement 3 mittels eines Stempels 2 auf den Prüfring 1 aufgebracht. Generell sind aber auch andere Elemente zur querkraftfreien Krafteinleitung denkbar.
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Das Aufbringen der Prüfkraft FPrüf sowie das Messen der Prüfkraft FPrüf kann beispielsweise mit einer Presse realisiert werden.
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Um das Abscheren der Beschichtung 11 mit dem Prüfring 1 bei Erreichen der entsprechenden Prüfkraft FPrüf definiert zu ermöglichen, wird die Beschichtung 11 unterhalb des Prüfrings 1, also auf der kraftabgewandten Seite, freigeschnitten, d. h. es wird ein ringförmiger Einstich 6 erzeugt, in den der mit dem Prüfring 1 verbundene Abschnitt der Beschichtung 11 abscheren kann. Zur weiteren Verbesserung kann auch oberhalb des Prüfrings 1, also auf der kraftzugewandten Seite, die Beschichtung freigeschnitten werden; durch diesen Einstich 6' wird der abzuscherende Abschnitt der Beschichtung 11 auch nach oben begrenzt und damit in seiner Fläche genau definiert.
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Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Substrat 10 um ein Kurbelgehäuse und bei der Beschichtung 11 um eine thermische Spritzschicht, mit der die Zylinderbohrung 12 ausgekleidet ist. Bekannte thermische Spritzverfahren zur Erzeugung einer Beschichtung in einer Zylinderbohrung sind beispielsweise LDS (Lichtbogendrahtspritzen) oder PTWA (plasma transferred wire arc).
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Haftung der Beschichtung in einem unbearbeiteten Zustand der Spritzschicht („as sprayed”), aber auch in einem schruppgehonten oder schruppgedrehten Zustand oder im fertigbearbeiteten Zustand der Beschichtung erfolgen, woraus sich vorteilhaft eine Prüfungsmöglichkeit der tatsächlichen Funktionsschicht, wie sie später im Betrieb vorliegt, ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009032817 A1 [0004]
- DE 102011120559 A1 [0005]
