DE102013013161A1 - Method of testing adhesiveness and film strength of surface layer formed on metal substrate used in cylinder crankcase of combustion engine, involves measuring tensile force applied for detaching surface layer from substrate - Google Patents

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Andreas Breuninger
Patrick lzquierdo
Eyüp Akin Özdeniz
Stefan Pissors
Thomas Schall
Jürgen Pfänder
Oliver Bedow
Helmut Schäfer
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Abstract

The method involves securing a specimen (3) on the surface layer (1) formed on metal substrate (2). A tensile force (F) is applied on the specimen, until a portion (1') of surface layer is detached from the metal substrate. The tensile force applied for detaching the portion of surface layer from the metal substrate, is measured and evaluated. The specimen is attached to the surface layer by a thermal joining process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht.The invention relates to a method for testing adhesion and layer strength of a surface layer applied to a metal substrate.

Gegenwärtig werden zunehmend Verbrennungsmotoren mit Zylinderkurbelgehäusen aus Aluminium eingesetzt, bei denen die Zylinderlaufflächen mit einer aufgespritzten Legierung versehen sind, die in der Regel auf Stahl mit unterschiedlichen Legierungselementen wie C, Mn, Mo, Si, Cr, Ni, Ti, etc. basiert. Eingesetzte Spritzverfahren sind vor allem das Lichtbogendrahtspritzen (LDS) oder das Plasmadrahtspritzen (PDS) sowie das Pulveraufspritzen. Für eine gute Haftverbindung zwischen Stahl-Spritzschicht und Aluminiumsubstrat wird die Lauffläche vor dem Aufspritzen aufgeraut.At present, combustion engines with aluminum cylinder crankcases are increasingly used in which the cylinder surfaces are provided with a sprayed alloy, which is usually based on steel with different alloying elements such as C, Mn, Mo, Si, Cr, Ni, Ti, etc. Spraying processes used are above all the wire arc spraying (LDS) or the plasma wire spraying (PDS) as well as the powder spraying. For a good bond between steel sprayed layer and aluminum substrate, the tread is roughened before spraying.

Das historisch zum Aufrauen eingesetzte Sand- oder Korundstrahlen wird aus Restschmutzgründen und wegen hoher Reinigungskosten hier immer weniger angewendet. Heute werden vor allem das Hochdruck-Wasserstrahlen und mechanische Aufrauverfahren wie Honen angewendet. Da die Anforderungen an die aufgespritzten Zylinderlaufflächen mit der Leistungssteigerung der Motoren immer weiter gestiegen sind, können Änderungen der Prozesskette fatale Folgen für die Qualität der Motoren bedeuten.The sandblasting or corundum blasting, which has historically been used for roughening, is less and less used here for reasons of residual dirt and high cleaning costs. Today, high-pressure water jetting and mechanical roughening methods such as honing are used. As the requirements for the sprayed cylinder surfaces increase with the increase in engine power, changes in the process chain can have dire consequences for the quality of the engines.

Ein Hauptqualitätsindikator für die aufgespritzte Zylinderlaufschicht ist eine hohe Haftung auf dem Aluminiumsubstrat. Sollte sich im laufenden Betrieb wegen mangelnder Haftung die Schicht auch nur partiell ablösen, ist damit immer ein kapitaler Motorschaden verbunden. Aber nicht nur die Haftung am Substrat, auch der Zusammenhalt innerhalb der aufgespritzten Schicht spielt eine große Rolle.A major quality indicator for the sprayed cylinder liner is high adhesion to the aluminum substrate. If, during operation, the layer is only partially detached due to a lack of adhesion, this always causes a major engine failure. But not only the adhesion to the substrate, also the cohesion within the sprayed-on layer plays a major role.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Prüfverfahren bekannt, um die Haftfestigkeit einer auf ein Substrat aufgespritzten Schicht sowie die Schichtfestigkeit selbst zu überprüfen. Beim Prüfstempelabzugstest wird ein Stempel mit einem Epoxidkleber auf die Lauffläche der zu überprüfenden Spritzschicht aufgeklebt. Diese Kleber (1K-Systeme) haben unter Laborbedingungen eine Stirnabzugfestigkeit zwischen 50 und 100 N/mm2 und müssen in der Regel im Ofen ausgehärtet werden. Danach wird der Prüfstempel mit einer Prüfhydraulik abgezogen und durch Umrechnung kann die Abzugsflächenkraft durch einen entsprechenden Umrechnungsfaktor in N/mm2 oder MPa berechnet werden. Allerdings dauert der gesamte Prüfprozess inklusive Bauteilreinigung, Klebervorbereitung etc. bis zum Ergebniserhalt lange, meist in etwa acht Stunden. Zudem können die genannten hohen Stirnabzugsfestigkeiten der Kleber unter realen Produktionsbedingungen nicht oder mit nur sehr großem Aufwand erreicht werden, da oft der Kleber versagt, bevor die Spritzschicht abgezogen werden kann. Zudem ist eine Schichtprüfung mit diesem Prüfverfahren nicht möglich. Nachteilig kann das Aluminiumsubstrat durch die beim Ausdampfen im Ofen (zur Bauteilreinigung) und beim Aushärten des 1K-Epoxidklebers im Ofen vorliegenden Temperaturen, die viele Aluminiumlegierungen nicht mehr vertragen, geschädigt werden.Various test methods are known from the prior art for checking the adhesive strength of a layer sprayed onto a substrate and the layer strength itself. In the test stamp deduction test, a stamp is stuck with an epoxy adhesive on the running surface of the sprayed layer to be tested. These adhesives (1K systems) have a face peel strength between 50 and 100 N / mm 2 under laboratory conditions and usually have to be cured in the oven. Thereafter, the test stamp is withdrawn with a test hydraulics and by conversion, the Abzugsflächenkraft can be calculated by a corresponding conversion factor in N / mm 2 or MPa. However, the entire inspection process, including component cleaning, adhesive preparation, etc., takes a long time to the result, usually in about eight hours. In addition, the said high face peel strength of the adhesive under real production conditions can not be achieved or with great effort, often because the adhesive fails before the sprayed layer can be removed. In addition, a film test with this test method is not possible. Disadvantageously, the aluminum substrate can be damaged by the temperatures which are present in the furnace during evaporation in the oven (for component cleaning) and during curing of the 1-component epoxy adhesive, and which are no longer tolerated by many aluminum alloys.

In DE 10 2011 120 559 A1 wird eine Vorrichtung offenbart, mit der ein Prüfkörper auf eine Zylinderlaufbahnbeschichtung eines Zylinderkurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors geklebt werden kann. Diese Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, das in eine Zylinderbohrung, in der der Prüfkörper angeordnet werden soll, eingeführt werden kann, wobei an der Oberseite des Gehäuses eine Halteplatte angeordnet ist, die nach einem Einführen des Gehäuses in die Zylinderbohrung auf eine Oberseite des Zylinderkurbelgehäuses aufgesetzt und an diesem befestigt werden kann. Eine radial aus dem Gehäuse in Richtung der Zylinderlaufbahnbeschichtung bewegbare Prüfkörperhalterung presst den Prüfkörper auf die Zylinderlaufbahnbeschichtung.In DE 10 2011 120 559 A1 discloses a device with which a specimen can be glued to a cylinder liner coating of a cylinder crankcase of an internal combustion engine. This device comprises a housing which can be inserted into a cylinder bore in which the test body is to be inserted, wherein at the top of the housing a holding plate is arranged, which is placed after insertion of the housing into the cylinder bore on an upper side of the cylinder crankcase and can be attached to this. A test piece holder which can be moved radially out of the housing in the direction of the cylinder liner coating presses the test piece onto the cylinder liner coating.

Ein zum Prüfstempelabzugstest alternatives Verfahren zur Prüfung der Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht wird in DE 10 2010 043 399 A1 beschrieben. Dabei wird in das Substrat auf der von der Oberflächenschicht abgewandten Seite eine Ausnehmung eingebracht, die sich bis fast zur Oberflächenschicht erstreckt, so dass die Ausnehmung durch eine verbliebene „Restwandstärke” des Substrats von der Oberflächenschicht getrennt bleibt. In die Ausnehmung wird ein Prüfkörper eingeführt, auf den eine Druckkraft aufgebracht wird, die so bemessen ist bzw. allmählich soweit gesteigert wird, bis die „Restwandstärke” des Substrats durchbrochen und die Oberflächenschicht abgelöst werden. Zur Schaffung der Ausnehmung sind allerdings eine sehr präzise mechanische Bearbeitung und eine genaue Werkstück-Aufnahme erforderlich. Zudem ist das Verfahren nur begrenzt einsetzbar; der Bereich zwischen den Zylinderstegen sowie der Bereich in der Nähe des Randes von Zylinderfuß und Deckfläche zum Zylinderkopf hin können praktisch nicht geprüft werden.A test method for testing the adhesion and film strength of a surface layer applied to a metal substrate is described in US Pat DE 10 2010 043 399 A1 described. In this case, a recess is introduced into the substrate on the side facing away from the surface layer, which extends almost to the surface layer, so that the recess remains separated from the surface layer by a remaining "residual wall thickness" of the substrate. In the recess, a test specimen is introduced, on which a compressive force is applied, which is so dimensioned or is gradually increased until the "residual wall thickness" of the substrate is broken and the surface layer is detached. To create the recess, however, a very precise mechanical processing and an accurate workpiece holder are required. In addition, the method is limited use; the area between the cylinder lands and the area near the edge of the cylinder base and the top surface towards the cylinder head can not practically be tested.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Prüfung der Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht bereitzustellen, das ein breites Einsatzgebiet überdeckt und mit minimiertem Zeit- und Bearbeitungsaufwand durchgeführt werden kann.Starting from this prior art, it is an object of the present invention to provide a method for testing the adhesion and layer strength of a surface layer applied to a metal substrate, which covers a wide range of applications and can be carried out with minimal time and processing effort.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Further developments of the method are set forth in the subclaims.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgebrachten Oberflächenschicht geprüft werden, indem ein Prüfkörper an der Oberflächenschicht befestigt wird und eine Zugkraft auf den Prüfkörper ausgeübt und erhöht wird, bis die Oberflächenschicht von dem Metallsubstrat abgelöst wird, wobei die Zugkraft, bei der die Oberflächenschicht abgelöst wird, gemessen und ausgewertet wird. Bei dem Metallsubstrat kann es sich um ein beliebiges Bauteil aus Metall, beispielsweise auch ein Blech oder ein Gussbauteil handeln, das vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung hergestellt ist. Insbesondere kann es sich bei dem Metallsubstrat um ein Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors handeln, das aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist. Die Oberflächenschicht ist ebenfalls aus einem metallhaltigen Werkstoff, vorzugsweise aus einem eisenhaltigen bzw. Stahlwerkstoff. Im Falle eines Kurbelgehäuses als Substratbauteil liegt die Oberflächenschicht auf den Innenseiten der Zylinder des Kurbelgehäuses als Laufflächenbeschichtung vor.With the method according to the invention, adhesion and layer strength of a surface layer preferably applied to a metal substrate by thermal spraying can be tested by attaching a test specimen to the surface layer and applying a tensile force to the test specimen and increasing it until the surface layer is detached from the metal substrate. wherein the tensile force at which the surface layer is peeled off is measured and evaluated. The metal substrate can be any metal component, for example also a metal sheet or a cast component, which is preferably made of a light metal alloy. In particular, the metal substrate may be a crankcase of an internal combustion engine made of an aluminum alloy. The surface layer is also made of a metal-containing material, preferably of a ferrous or steel material. In the case of a crankcase as a substrate component, the surface layer is present on the inner sides of the cylinder of the crankcase as a tread coating.

Um einen Prüfkörperabzugstest schnell und mit exakten Ergebnissen durchführen zu können, erfolgt erfindungsgemäß die Befestigung des Prüfkörpers, der ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Stahl, beschaffen ist, an der Oberflächenschicht stoffschlüssig flächig durch ein thermisches Fügeverfahren.In order to be able to perform a test specimen removal test quickly and with exact results, according to the invention the attachment of the specimen, which is likewise made of a metallic material, such as steel, takes place integrally on the surface layer by a thermal joining process.

Um die Erwärmung des Metallsubstrats zu begrenzen, wird zum thermischen Fügen Kurzzeit-Widerstandsschweißen oder Kurzzeit-Widerstandslöten eingesetzt, wobei beim Löten zwischen dem Prüfkörper und der Oberflächenschicht ein Lot, beispielsweise in Form eines Lötblechs oder eine Lötfolie aus Hart- oder Weichlot, eingelegt wird. Gegebenenfalls können die Kontaktflächen der Oberflächenschicht, des Prüfkörpers und/oder des Lots vor dem Löten mit einem Flussmittel bzw. einem reduzierenden Medium wie Lötwasser behandelt und aktiviert werden.In order to limit the heating of the metal substrate, short-term resistance welding or short-time resistance soldering is used for thermal joining, during soldering between the test specimen and the surface layer, a solder, for example in the form of a solder sheet or a brazing foil of hard or soft solder, is inserted. Optionally, the contact surfaces of the surface layer, the specimen and / or the solder before soldering with a flux or a reducing medium such as soldering water can be treated and activated.

Die Schweiß-/Lötparameter werden in Abhängigkeit der Abmessungen der Kontaktfläche des Prüfkörpers, der Materialien von Oberflächenschicht, Prüfkörper, gegebenenfalls Lot und der Dicke der Oberflächenschicht so gewählt, dass keine thermischen Gefügeänderungen des Metallsubstrats auftreten.The welding / soldering parameters are chosen as a function of the dimensions of the contact surface of the test specimen, the materials of surface layer, specimen, optionally solder and the thickness of the surface layer so that no thermal microstructural changes of the metal substrate occur.

So wird das Kurzzeit-Widerstandsschweißen/Widerstandslöten bevorzugt mit einer Stromflussdauer über einen Zeitraum von 0,05 ms bis 30 ms, bevorzugt von 0,1 ms bis 20 ms, ausgeführt, wobei der Hauptstrom eine Stromstärke von zumindest 1 kA, bevorzugt von 1 kA bis 20 kA, gegebenenfalls auch mehr als 20 kA aufweist.Thus, the short-term resistance welding / resistance brazing is preferably carried out with a current flow duration over a period of 0.05 ms to 30 ms, preferably from 0.1 ms to 20 ms, the main current having a current of at least 1 kA, preferably 1 kA up to 20 kA, optionally also more than 20 kA.

Das Widerstandsschweißen oder -löten kann so ausgeführt werden, dass neben dem Hauptstrom vor dem Fügevorgang ein ansteigender Strom und/oder nach dem Fügevorgang ein abfallender Strom fließt.The resistance welding or soldering can be carried out so that in addition to the main stream before the joining process, a rising current and / or flowing after the joining process, a falling current.

Der verwendete Prüfkörper kann, um eine präzise Bestimmung der Schichthaftung zu ermöglichen, eine Kontaktfläche mit einer definierten Geometrie aufweisen, die bevorzugt eben oder erhaben sphärisch (mit einem Radius von 5 mm bis 60 mm) ist und/oder eine Ringzacke aufweist. Die Kontaktfläche kann im Querschnitt rund oder polygonal, vorzugsweise quadratisch sein.The test specimen used, in order to allow a precise determination of the layer adhesion, have a contact surface with a defined geometry, which is preferably plane or raised spherical (with a radius of 5 mm to 60 mm) and / or has a ring point. The contact surface may be round or polygonal in cross-section, preferably square.

Zur Bestimmung der Haftfestigkeit kann in einer Ausführungsform die beim Ablösen der Oberflächenschicht gemessene Zugkraft der Kontaktfläche zwischen dem Prüfkörper und der Oberflächenschicht zugeordnet werden, indem die Oberflächenschicht um den Prüfkörper entsprechend der Kontaktfläche vor dem Ausüben der Zugkraft bis auf das Metallsubstrat beispielsweise durch Sägen, Fräsen oder Schneiden durchtrennt wird, oder indem eine von dem Prüfkörper abgewandte Oberfläche des an dem Prüfkörper haftenden, abgelösten Oberflächenschichtstücks optisch ausgewertet wird. Dabei können Oberflächenstrukturen einer direkten Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks auf dem Metallsubstrat von einer Spaltungsfläche durch die Oberflächenschicht unterschieden werden, wobei die Kontaktfläche durch die direkte Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks auf dem Metallsubstrat ermittelt wird.In one embodiment, to determine the adhesive strength, the tensile force measured upon peeling of the surface layer may be assigned to the contact surface between the specimen and the surface layer by applying the surface layer around the specimen according to the contact surface prior to exerting the tensile force to the metal substrate, for example by sawing, milling or Cutting is cut through, or by a remote from the test specimen surface of the adhered to the test specimen, detached surface layer piece is optically evaluated. In this case, surface structures of a direct bearing surface of the surface layer piece on the metal substrate can be distinguished from a cleavage surface by the surface layer, wherein the contact surface is determined by the direct bearing surface of the surface layer piece on the metal substrate.

Um auch die Schichtfestigkeit der Oberflächenschicht in sich zu bestimmen, kann die thermische Fügeverbindung zwischen dem Prüfkörper und der Oberflächenschicht so gestaltet werden, dass beim Ausüben und Erhöhen der Zugkraft auf den Prüfkörper die Oberflächenschicht nicht abgelöst, sondern in sich zerstört und partiell flächig gespalten wird, wobei die Zugkraft bestimmt wird, bei der die Oberflächenschicht gespalten wird.In order to determine the layer strength of the surface layer in itself, the thermal joint between the test specimen and the surface layer can be designed so that when exerting and increasing the tensile force on the specimen, the surface layer is not detached, but destroyed in itself and split partially flat, wherein the tensile force is determined at which the surface layer is split.

Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures. The reference to the figures in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. Articles or parts of objects which are substantially the same or similar may be given the same reference numerals. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.

Dabei zeigen: Showing:

1 eine Seitenschnittansicht durch eine auf ein Substrat aufgebrachte Oberflächenschicht vor Durchführung des Prüfkörperabzugstests mit einem thermisch an die Oberflächenschicht gefügten Prüfkörper, 1 FIG. 2 a side sectional view through a surface layer applied to a substrate before the test body peel test with a test body thermally bonded to the surface layer, FIG.

2 eine Seitenschnittansicht entsprechend 1 nach Durchführung des Prüfkörperabzugstests, 2 a side sectional view accordingly 1 after carrying out the test body peel test,

3 eine Seitenschnittansicht durch eine entsprechend der Kontaktfläche des Prüfkörpers bis zum Metallsubstrat durchtrennte Oberflächenschicht vor Durchführung des Prüfkörperabzugstests, 3 a side sectional view through a according to the contact surface of the test piece to the metal substrate severed surface layer before performing the test body peel test,

4 eine Seitenschnittansicht entsprechend 3 nach Durchführung des Prüfkörperabzugstests, 4 a side sectional view accordingly 3 after carrying out the test body peel test,

5 eine Draufsicht auf die Oberfläche eines abgelösten Oberflächenschichtstücks mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen der direkten Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks auf dem Metallsubstrat und der Spaltungsfläche durch die Oberflächenschicht, 5 a plan view of the surface of a detached surface layer piece having different surface structures of the direct bearing surface of the surface layer piece on the metal substrate and the cleavage surface through the surface layer,

6 eine Seitenschnittansicht nach Durchführung des Prüfkörperabzugstests, bei dem die Oberflächenschicht zur Bestimmung der Schichtqualität nicht abgelöst sondern partiell flächig gespalten wird. 6 a side sectional view after carrying out the Prüfkörperabzugstests in which the surface layer for determining the layer quality is not detached but split partially flat.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglich die Durchführung eines schnellen und präzisen Prüfkörperabzugstests zur Ermittlung der Schichthaftung und Schichtqualität einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht, nachfolgend entsprechend der Aufbringungsart durch thermisches Spritzen auch Spritzschicht genannt.The method according to the invention makes it possible to carry out a rapid and precise test-body peel test for determining the layer adhesion and layer quality of a surface layer applied to a metal substrate, also referred to below as injection coating by thermal spraying according to the method of application.

Erfindungsgemäß wird der Prüfkörper 3, wie in 1 und 3 zu sehen ist, mit der auf das Metallsubstrat 2 aufgespritzten Oberflächenschicht 1 durch Schweißen oder Löten an der Kontaktfläche 3' stoffschlüssig verbunden. Nach dem Fügevorgang wird auf den Prüfkörper 3 eine Zugkraft F ausgeübt und erhöht, bis sich ein mit dem Prüfkörper 3 verbundenes Stück 1' der Oberflächenschicht 1 von dem Metallsubstrat 2 ablöst, wie in 2 und 4 zu sehen ist. Dabei wird die Abzugskraft ermittelt.According to the invention, the test specimen 3 , as in 1 and 3 can be seen with the on the metal substrate 2 sprayed surface layer 1 by welding or soldering to the contact surface 3 ' cohesively connected. After the joining process is on the test specimen 3 exerted a tensile force F and increased until one with the specimen 3 connected piece 1' the surface layer 1 from the metal substrate 2 replaces, as in 2 and 4 you can see. The withdrawal force is determined.

Bei dem Schweißverfahren handelt es sich z. B. um ein Kurzzeit-Widerstandsschweißverfahren, bei dem der zum Schweißen erforderliche Strom für ca. 0,1 ms bis ca. 20 ms fließt. Der Schweiß-Hauptstrom kann dabei eine Stromstärke von ca. 1 kA bis ca. 20 kA und mehr aufweisen. Die dabei an der Kontaktfläche zwischen Prüfkörper und Oberflächenschicht auftretenden Schweißtemperaturen von beispielsweise 1500°C liegen nur kurzfristig und oberflächlich an, so dass sich eine Oberflächenschicht aus einer Stahllegierung nur etwa auf 200°C erwärmt und dadurch das Metallsubstrat aus einer Aluminiumlegierung nicht über 100°C erwärmt wird, so dass deren Gefüge nicht verändert wird.The welding process is z. Example, a short-term resistance welding method in which the current required for welding flows for about 0.1 ms to about 20 ms. The main welding current can have a current of about 1 kA to about 20 kA and more. The occurring at the contact surface between the test specimen and surface layer welding temperatures of, for example, 1500 ° C are only temporary and superficial, so that a surface layer of a steel alloy heated only about 200 ° C and thereby the metal substrate of an aluminum alloy not above 100 ° C. is heated so that their structure is not changed.

Wird der Prüfkörper auf die Oberflächenschicht gelötet, kann ebenfalls ein Kurzzeit-Widerstandsverfahren eingesetzt werden, bei dem der zum Löten erforderlich Strom für ca. 1 ms bis ca. 30 ms fließt. Der Hauptstrom kann auch hier eine Stromstärke von ca. 1 kA bis ca. 20 kA und mehr aufweisen. Zum Löten wird zwischen den Prüfkörper und der Oberflächenschicht ein Lot eingebracht, indem beispielsweise ein Lötblech oder Lötfolie aus Hart- oder Weichlot eingelegt wird. Zudem ist vor dem Löten eine Aktivierung der Oberfläche mit reduzierenden Medien wie Lötwasser möglich.If the test piece is soldered onto the surface layer, a short-time resistance method can also be used in which the current required for soldering flows for approximately 1 ms to approximately 30 ms. The main current can also have a current of about 1 kA to about 20 kA and more here. For soldering, a solder is introduced between the test body and the surface layer by, for example, inserting a soldering sheet or brazing foil of hard solder or soft solder. In addition, activation of the surface with reducing media such as soldering water is possible before soldering.

Die Kontaktfläche 3' kann, wie im Beispiel in 1 und 2 erhaben kugelig sein, oder sie kann eben mit einer aus der Ebene der Kontaktfläche ragenden Ringzacke 3'' wie in 3 und 4 gestaltet sein. Der Radius einer sphärisch gestalteten Kontaktfläche kann in einem Bereich von 5 mm bis 60 mm liegen.The contact surface 3 ' can, as in the example in 1 and 2 be raised spherical, or she can just with a protruding from the plane of the contact surface Ringzacke 3 '' as in 3 and 4 be designed. The radius of a spherically shaped contact surface may be in a range of 5 mm to 60 mm.

Die ebene, erhaben kugelige oder mit Ringzacke ausgeführte Gestaltung der Kontaktfläche gewährleistet auch bei minimalen Verunreinigungen oder Oberflächenunebenheiten einen gleichmäßigen Schweißstromübergang. Da die Schweiß- bzw. Lötverbindung zwischen Prüfkörper und Oberflächenschicht stärker ist als die Haftung der Oberflächenschicht an dem Metallsubstrat kann, anders als beim Abzugstest mit angeklebtem Prüfkörper, ausgeschlossen werden, dass sich die Schicht wieder vom Prüfkörper löst. Ferner wird durch die extrem kurze Schweiß- bzw. Lötzeit verhindert, dass das Metallsubstrat unter der Kontaktfläche durch thermisch bedingte Gefügeänderungen geschädigt wurde. So werden die Schweiß-/Löt-Parameter in Abhängigkeit der Abmessungen und Materialien von Prüfkörper, Oberflächenschicht und Metallsubstrat so gewählt, dass thermisch bedingte Veränderungen des Metallgefüges im Substrat unter der Spritzschicht vernachlässigt werden können. Generell gilt für Schweißen und Löten, dass neben dem Hauptstrom vorher ein ansteigender Strom oder nach dem Schweiß-/Lötvorgang ein abfallender Strom fließen kann.The flat, raised spherical or ring-shaped design of the contact surface ensures a uniform welding current transition even with minimal contamination or surface irregularities. Since the weld or solder joint between the test specimen and the surface layer is stronger than the adhesion of the surface layer to the metal substrate, it can be ruled out from the test specimen, unlike the test with glued test specimen. Furthermore, the extremely short welding or soldering time prevents the metal substrate under the contact surface from being damaged by thermally induced microstructural changes. Thus, depending on the dimensions and materials of the test specimen, surface layer and metal substrate, the welding / brazing parameters are selected so that thermally induced changes in the metal structure in the substrate under the sprayed layer can be neglected. In general, for welding and soldering, in addition to the main current, a rising current or a falling current may flow after the welding / soldering process.

Das erfindungsgemäße Prüfverfahren ist allgemein für metallische Oberflächenschichten einsetzbar, die auf Metallsubstrate aufgebracht sind, insbesondere, wenn es sich bei der zu prüfenden Schicht um eine Spritzschicht aus einer metallischen, vorzugsweise Stahl-Legierung handelt, die auf ein Gussbauteil, ein Blech oder einen sonstigen Körper aus Leichtmetall wie einer Aluminiumlegierung aufgespritzt wurde. So wird am Beispiel Verbrennungsmotor der Prüfkörper auf die im Zylinder des Kurbelgehäuses aufgespritzte Schicht aufgelötet oder aufgeschweißt.The test method according to the invention can generally be used for metallic surface layers which are applied to metal substrates, in particular if the layer to be tested is a sprayed layer of a metallic, preferably steel, alloy which is based on a cast component, a metal sheet or another body made of light metal such as an aluminum alloy. Thus, using the example of an internal combustion engine, the test specimen is soldered or welded onto the layer sprayed in the cylinder of the crankcase.

Mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren können sowohl die Schichtfestigkeit selbst als auch die Schichthaftung schnell geprüft werden. Das Prüfverfahren eignet sich für Versuche als auch zur Serienprüfung und Serienoptimierung. Es kann bei Änderungen von qualitätsbestimmenden Parametern oder z. B. nach Brennerwechseln (im Spritzprozess) eingesetzt werden. Entsprechendes gilt bei Änderungen im Aufrauprozess des Substrates oder bei Änderungen vom Guss oder in der Wärmebehandlung. Das Prüfverfahren kann auch zur Überprüfung von Schichtfestigkeit und Schichthaftung eingesetzt werden, wenn Gießverfahren, Trennmittel oder dessen Wärmebehandlung geändert werden.With the test method according to the invention, both the layer strength itself and the layer adhesion can be tested quickly. The test method is suitable for tests as well as for series testing and series optimization. It may change with quality-determining parameters or z. B. after torch changes (in the injection process) can be used. The same applies to changes in the Aufrauprozess of the substrate or changes in the casting or in the heat treatment. The test method can also be used to verify film strength and film adhesion when changing casting, release agent or heat treatment.

Außerdem kann das Prüfverfahren auch bei Kurbelgehäusen angewandt werden, die schon im Einsatz waren, d. h. wenn der Verbrennungsmotor schon gelaufen ist. So kann nach Motorschäden auch nachtäglich die aufgespritzte Schicht im Zylinder bei Motorschäden untersucht werden, um zu Überprüfen ob ein Versagen der Schicht Ursache war.In addition, the test method can also be applied to crankcases that were already in use, d. H. when the combustion engine has already run. Thus, after engine damage, the sprayed-in layer in the cylinder can be examined every night for engine damage to check whether a failure of the layer was the cause.

Die zu überprüfende Oberflächenschicht kann im Rohzustand vorliegen, sie kann aber auch vorgehont, ausgedreht oder fertig gehont sein. Es ist auch möglich, die Schicht vorher z. B. mit Sandpapier oder mit Sandstrahlen zu behandeln.The surface layer to be checked may be in the raw state, but it may also be pre-honed, turned or finished honed. It is also possible, the layer before z. B. with sandpaper or sandblasting.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens wird die auf den Prüfkörper wirkende Zugkraft erhöht, bis sich die Spritzschicht von dem Substrat ablöst. Das abgelöste Spritzschichtstück haftet am Prüfkörper. Eine optische Überprüfung des abgelösten Spritzschichtstücks lässt eine Beurteilung der Schichtqualität und der Schichthaftung zu. Ist die Fläche des abgelösten Schichtstücks weit größer als die Kontaktfläche des Prüfkörpers und/oder die beim Ablösen gemessene Zugkraft gering, kann auf eine zu geringe Haftung der Schicht geschlossen werden. Ein weiteres Merkmal können angerissene oder abgeschälte Fetzen und Bruchstücke der Spritzschicht sein, die noch partiell haften und ähnlich einem Krater um die Schweiß-/Lötstelle in die Höhe stehen.In carrying out the test method according to the invention, the tensile force acting on the test specimen is increased until the sprayed layer separates from the substrate. The detached sprayed layer adheres to the test piece. An optical inspection of the detached sprayed layer piece allows an evaluation of the layer quality and the layer adhesion. If the surface of the detached layer piece is much larger than the contact surface of the test specimen and / or the tensile force measured on detachment is small, it can be concluded that the layer is too weak. Another feature may be cracked or peeled shreds and fragments of the sprayed layer, which still partially adhere and are similar to a crater standing around the welding / soldering in the air.

Zur Beurteilung der Schichthaftung wird die Zugkraft beim Ablösen der Oberflächenschicht von dem Substrat gemessen und einer Flächenhaftung (N/mm2) zugeordnet.To assess the layer adhesion, the tensile force on detachment of the surface layer from the substrate is measured and assigned to a surface adhesion (N / mm 2 ).

Dazu kann die dem Prüfkörper abgewandte Fläche des abgelösten Oberflächenschichtstücks optisch beurteilt werden. 5 skizziert die Ansicht auf ein abgelöstes Oberflächenschichtstück 1' auf der von dem Prüfkörper abgewandten Seite. Im Bereich 11, der der mit dem Prüfkörper verschweißten Kontaktfläche entspricht, ist das Oberflächenschichtstück 1' komplett bis zum Substrat abgezogen, so dass sich dort regelmäßige Strukturen der Substratoberfläche abzeichnen. Im umgebenden Bereich 12 ist die Oberflächenschicht gerissen und weist unregelmäßige Strukturen auf, die sich deutlich von den Strukturen im Bereich 11 unterscheiden. Die optische Beurteilung und Verarbeitung kann beispielsweise mit Hilfe von Kameras, die eine Rechnereinheit aufweisen oder mit einer verbunden sind, auf der ein Programm zur Bildauswertung ausgeführt wird, erfolgen, da die direkte Auflagefläche auf dem Substrat gut erkennbar und von der Fläche, die entsteht, wenn die Spritzschicht durchrissen wird, unterscheidbar ist. Die Haftfläche wird quasi freigeschnitten und der gemessenen Zugkraft zugeordnet, gegebenenfalls unter Nutzung einer Korrekturfunktion, die die Kraft zum Zerreißen der Schicht berücksichtigt.For this purpose, the surface facing away from the test piece surface of the detached surface layer piece can be visually assessed. 5 Sketches the view on a detached surface layer piece 1' on the side facing away from the test specimen. In the area 11 , which corresponds to the contact surface welded to the test piece, is the surface layer piece 1' completely stripped to the substrate, so that there are regular structures of the substrate surface. In the surrounding area 12 The surface layer is cracked and has irregular structures that are distinct from the structures in the area 11 differ. The optical assessment and processing can be carried out, for example, with the aid of cameras which have a computer unit or are connected to one on which an image evaluation program is executed, since the direct contact surface on the substrate can be clearly recognized and from the surface that arises. when the sprayed layer is cracked, is distinguishable. The adhesive surface is virtually cut free and assigned to the measured tensile force, optionally using a correction function that takes into account the force to rupture the layer.

So kann in einem ersten Schritt, in dem nur die Abzugskraft F gemessen wird, eine qualitative Aussage über die Haftungsqualität der Schicht am Substrat getroffen werden. Aus dieser Abzugskraft F kann in einem zweiten Schritt die Flächenhaftung mit und ohne Freischnitt berechnet werden, so dass auch eine quantitative Aussage über die Schichthaftung gemacht werden kann.Thus, in a first step, in which only the peel force F is measured, a qualitative statement about the adhesion quality of the layer to the substrate can be made. From this withdrawal force F, in a second step, the surface adhesion can be calculated with and without free cut, so that a quantitative statement about the layer adhesion can be made.

Ferner kann alternativ oder zusätzlich eine Flächenhaftung exakt ermittelt werden, indem die Spritzschicht 1 um den Prüfkörper 3 bis auf das Substrat 2 durchgesägt, durchgefräst oder durchgeschliffen wird, wie in 3 gezeigt wird. Der umlaufende Spalt 4 begrenzt eine genau definierte Fläche der Spritzschicht 1, so dass in diesem Fall die Abzugskraft F nicht um den Kraftanteil verfälscht ist, der zum Durchreißen der Spritzschicht 1 benötigt wird.Furthermore, alternatively or additionally, a surface adhesion can be determined exactly by the spray coating 1 around the test specimen 3 down to the substrate 2 sawn through, milled or ground through, as in 3 will be shown. The circumferential gap 4 limits a precisely defined area of the sprayed layer 1 , so that in this case the withdrawal force F is not falsified by the proportion of force, the tearing of the sprayed layer 1 is needed.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so sehr genaue Messungen und Messergebnisse bei gleichzeitig geringem Aufwand zur Herstellung der Prüfanordnung, die zeitsparend durch Kurzzeit-Schweißen oder -Löten erfolgt, und Durchführung der Prüfung im Abzugstest. Der Prüfkörper kann zudem an beliebiger Position angebracht werden, d. h. auch an den Bereichen eines Kurbelgehäuses zwischen den Zylinderstegen sowie in der Nähe des Randes von Zylinderfuß und Deckfläche zum Zylinderkopf.The method according to the invention thus enables very accurate measurements and measurement results with at the same time little effort for the production of the test arrangement, which takes place in a time-saving manner by short-time welding or soldering, and the test is carried out in the pull-off test. The test piece can also be attached at any position, d. H. also at the areas of a crankcase between the cylinder bars and in the vicinity of the edge of the cylinder base and top surface to the cylinder head.

Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren auch eine Messung der Schichtqualität erfolgen, indem die Schicht gezielt durch flächiges Spalten zerstört wird, wie 6 zeigt. Durch Sonderschweißparameter kann die Schweißverbindung des Prüfkörpers 3 an der Spritzschicht 1 so gestaltet werden, dass diese sich beim Abzugstest nicht vollständig vom Substrat 2 löst. Die Schicht 1 wird in sich zerstört und partiell gespalten. Ein Teil 1' der abgespaltenen Schicht befindet sich dann am Prüfkörper 3, der Rest der Schicht 1 haftet am Substrat 2. Durch die Zuordnung der bei der Spaltung der Schicht gemessenen Zugkraft lässt sich eine Aussage über die Schichtqualität treffen.Furthermore, with the test method according to the invention, a measurement of the layer quality can also take place in that the layer is deliberately destroyed by planar splitting, such as 6 shows. By special welding parameters, the welded joint of the test specimen 3 at the sprayed layer 1 be designed so that they are not completely removed from the substrate during the withdrawal test 2 solves. The layer 1 becomes in itself destroyed and partially split. A part 1' the split-off layer is then located on the test specimen 3 , the rest of the layer 1 adheres to the substrate 2 , By assigning the measured during the cleavage of the layer tensile force can make a statement about the layer quality.

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  • DE 102010043399 A1 [0007] DE 102010043399 A1 [0007]

Claims (9)

Verfahren zur Prüfung einer Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat (2) aufgebrachten Oberflächenschicht (1), wobei ein Prüfkörper (3) an der Oberflächenschicht (1) befestigt wird und eine Zugkraft (F) auf den Prüfkörper (3) ausgeübt und erhöht wird, bis die Oberflächenschicht (1) von dem Metallsubstrat (2) abgelöst wird, wobei die Zugkraft (F), bei der die Oberflächenschicht (1) abgelöst wird, gemessen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des Prüfkörpers (3) an der Oberflächenschicht (1) stoffschlüssig flächig durch ein thermisches Fügeverfahren erfolgt.Method for testing adhesion and layer strength of a metal substrate ( 2 ) applied surface layer ( 1 ), wherein a test specimen ( 3 ) at the surface layer ( 1 ) and a tensile force (F) on the test specimen ( 3 ) and increased until the surface layer ( 1 ) of the metal substrate ( 2 ), wherein the tensile force (F) at which the surface layer ( 1 ) is removed, measured and evaluated, characterized in that the attachment of the specimen ( 3 ) at the surface layer ( 1 ) takes place cohesively surface by a thermal joining process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Fügeverfahren ein Kurzzeit-Widerstandsschweißen oder Kurzzeit-Widerstandslöten ist, wobei beim Löten zwischen dem Prüfkörper (3) und der Oberflächenschicht (1) Lot (4) eingelegt wird.A method according to claim 1, characterized in that the thermal joining method is a short-term resistance welding or short-time resistance brazing, wherein during brazing between the test specimen ( 3 ) and the surface layer ( 1 ) Lot ( 4 ) is inserted. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung des Prüfkörpers (3) ein stromführendes Teil, insbesondere aus Cu oder Al, an den Prüfkörper (3) angelegt wird, dass den Strom auf den Prüfkörper (3) überträgt und an welchem zur Durchführung des thermischen Fügeverfahrens eine elektrische Spannung gegenüber dem Metallsubstrat (2) und/oder der aufgebrachten Oberflächenschicht (1) angelegt wird.A method according to claim 1, characterized in that for fixing the test body ( 3 ) a current-carrying part, in particular made of Cu or Al, to the test body ( 3 ) is applied, that the current on the test specimen ( 3 ) transmits and at which for carrying out the thermal joining process an electrical voltage with respect to the metal substrate ( 2 ) and / or the applied surface layer ( 1 ) is created. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schweiß-/Lötparameter in Abhängigkeit der Abmessungen einer Kontaktfläche des Prüfkörpers (3), der Materialien von Oberflächenschicht (1), Prüfkörper (3), gegebenenfalls Lot (4) und der Dicke der Oberflächenschicht (1) so gewählt werden, dass keine thermischen Gefügeänderungen des Metallsubstrats (2) auftreten.A method according to claim 2, characterized in that welding / soldering parameters depending on the dimensions of a contact surface of the test body ( 3 ), the materials of surface layer ( 1 ), Specimens ( 3 ), optionally Lot ( 4 ) and the thickness of the surface layer ( 1 ) are chosen so that no thermal microstructural changes of the metal substrate ( 2 ) occur. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kurzzeit-Widerstandsschweißen/-Widerstandslöten ein Strom für einen Zeitraum von 0,05 ms bis 30 ms, bevorzugt von 1 ms bis 3 ms, fließt und der Hauptstrom eine Stromstärke von zumindest 1 kA, bevorzugt von 4 kA bis 20 kA, aufweist.Method according to at least one of claims 2 to 4, characterized in that during short-term resistance welding / resistance soldering, a current flows for a period of 0.05 ms to 30 ms, preferably from 1 ms to 3 ms, and the main current has a current of at least 1 kA, preferably from 4 kA to 20 kA. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Hauptstrom vor dem Fügevorgang ein ansteigender Strom und/oder nach dem Fügevorgang ein abfallender Strom fließen kann.Method according to at least one of claims 2 to 5, characterized in that in addition to the main stream before the joining process, a rising current and / or after the joining process a falling current can flow. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Prüfkörper (3) eine Kontaktfläche mit einer definierten Geometrie aufweist, die bevorzugt eben oder erhaben sphärisch ist und/oder eine Ringzacke aufweist und die im Querschnitt bevorzugt rund oder polygonal ist.Method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the test body used ( 3 ) has a contact surface with a defined geometry, which is preferably planar or raised spherical and / or has a ring point and which is preferably round or polygonal in cross section. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Haftfestigkeit die gemessene Zugkraft (F) beim Ablösen der Oberflächenschicht (1) einer Kontaktfläche zwischen dem Prüfkörper (3) und der Oberflächenschicht (1) zugeordnet wird, – indem die Oberflächenschicht (1) um den Prüfkörper (3) entsprechend der Kontaktfläche vor dem Ausüben der Zugkraft (F) bis auf das Metallsubstrat (2) durchtrennt wird, oder – indem eine von dem Prüfkörper (3) abgewandte Oberfläche des an dem Prüfkörper (3) haftenden, abgelösten Oberflächenschichtstücks (1') optisch ausgewertet wird und Oberflächenstrukturen einer direkten Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks (1') auf dem Metallsubstrat (2) von einer Spaltungsfläche durch die Oberflächenschicht (1) unterschieden werden, wobei die Kontaktfläche durch die direkte Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks (1') auf dem Metallsubstrat (2) ermittelt wird.Method according to at least one of Claims 1 to 7, characterized in that, for determining the adhesive strength, the measured tensile force (F) during detachment of the surface layer ( 1 ) a contact surface between the test specimen ( 3 ) and the surface layer ( 1 ), - by the surface layer ( 1 ) around the specimen ( 3 ) corresponding to the contact surface before applying the tensile force (F) to the metal substrate ( 2 ) or by removing one from the test specimen ( 3 ) facing away from the surface of the test piece ( 3 ) adherent, detached surface layer piece ( 1' ) is evaluated visually and surface structures of a direct bearing surface of the surface layer piece ( 1' ) on the metal substrate ( 2 ) from a cleavage surface through the surface layer ( 1 ), the contact area being determined by the direct contact surface of the surface layer piece ( 1' ) on the metal substrate ( 2 ) is determined. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Schichtfestigkeit der Oberflächenschicht (1) die thermische Fügeverbindung zwischen dem Prüfkörper (3) und der Oberflächenschicht (1) so gestaltet wird, dass beim Ausüben und Erhöhen der Zugkraft (F) auf den Prüfkörper (3) die Oberflächenschicht (1) nicht abgelöst, sondern in sich zerstört und partiell flächig gespalten wird, wobei die Zugkraft (F) bestimmt wird, bei der die Oberflächenschicht (1) gespalten wird.Method according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that for determining the layer strength of the surface layer ( 1 ) the thermal joining connection between the test specimen ( 3 ) and the surface layer ( 1 ) is designed so that when exerting and increasing the tensile force (F) on the test specimen ( 3 ) the surface layer ( 1 ) is not detached, but is internally destroyed and partially split, wherein the tensile force (F) is determined, in which the surface layer ( 1 ) is split.
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