-
Gegenstand der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Änderungen der Gefügestruktur eines Bauteils, insbesondere zur Messung von Materialeigenschaften an ferromagnetischen Bauteilen zur Überwachung und Messung von Gefügestruktur und Gefügeklassen, sowie zur versteckten Identifizierung von Bauteilen.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Bei Bauteilen, die Belastungen ausgesetzt sind, können über die Zeit Veränderungen in der Gefügestruktur auftreten. Die Belastungen können mechanischer Natur sein und statisch sowie dynamisch auftreten. Die Belastungen können darüber hinaus chemisch oder thermisch bedingt sein oder elektrischer Natur sein. Weiterhin kann eine kombinierte Belastung dieser Einzelbelastungen auftreten. Schädigend ist in diesem Fall insbesondere eine stark wechselnde Beanspruchung, wie sie beispielsweise bei Lagerüberrollungen oder Verzahnungseingriffen der Fall ist, wenn es lokal zu Plastifizierungen kommt. Dies ist vielfach die Ursache für das Versagen von Bauteilen bzw. der Grund für das Erreichen der Lebensdauer von technischen Systemen.
-
Mit der Prüfung der Gefügestruktur des Bauteils und insbesondere dessen Eigenspannungszustand kann diese Veränderung gemessen und ein Versagen vorzeitig erkannt und unter Umständen verhindert werden. Des Weiteren ist ein neu gefertigtes Bauteil einer Maschine oder einer Anlage durch ein von Exemplar zu Exemplar individuelles Muster von Eigenspannungen und ein individuelles Muster des Gefügezustandes gekennzeichnet. Durch Produktpiraterie werden jährlich große Mengen unautorisierter und somit nach Originalherstellervorschrift ungeprüfte Bauteile in den Wirtschaftskreislauf eingeschleust, wodurch nicht nur ein wirtschaftlicher Schaden entsteht, sondern auch absehbare Sicherheitsrisiken entstehen können.
-
Üblicherweise werden daher metallurgische Schliffbilder angefertigt und in einem entsprechenden Labor unter dem Mikroskop betrachtet. Weiterhin sind die Röntgendefraktometrie bekannt, mittels derer Eigenspannungen vermessen werden können. Als weiteres Verfahren ist die Bohrlochmethode bekannt. Im Falle von Verzahnungen und Lagern ist die Nitalätzung ein weiteres Hilfsmittel, um Eigenspannungen bzw. den Abbau der Eigenspannungen durch Neuhärtungen zu erkennen. Weiterhin kann das Barkhausenrauschen eingesetzt werden, um eine Veränderung des Eigenspannungsniveaus einsatzgehärteter Bauteile zu erkennen. Dies ist im Fall von beispielsweise Getrieben ein wichtiges Hilfsmittel der Qualitätssicherung, welches jedoch bisher noch nicht restlos risikofrei eingesetzt werden kann.
-
Bei alle bekannten aussagefähigen Methoden handelt es sind jedoch um zerstörende Werkstoffprüfungen. Zudem sind sie zeitaufwendig. Eine Prüfung von Bauteilen im eingebauten Zustand ist somit nicht möglich.
-
Im Hinblick auf Produktpiraterie können unautorisierte Bauteilekopien bisher nur durch aufwendige Laboruntersuchungen, die von Fall zu Fall auf spezielle Merkmale ausgerichtet sind, zumindest teilweise erkannt werden. Es existiert aber keine universelle Methode.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung von Änderungen der Gefügestruktur eines Bauteils zur Verfügung zu stellen.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Änderungen der Gefügestruktur eines Bauteils wird die magnetische Permeabilität des Bauteils zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt jeweils richtungsabhängig bestimmt. Anschließend wird die zu dem ersten Zeitpunkt bestimmte richtungsabhängige magnetische Permeabilität mit der zu dem zweiten Zeitpunkt bestimmten richtungsabhängigen magnetischen Permeabilität verglichen. Aus diesem Vergleich kann eine mögliche Änderung der Gefügestruktur des Bauteils ermittelt bzw. abgeleitet werden. Das Verfahren eignet sich demnach zur Überwachung eines Bauteils, insbesondere im Hinblick auf seine Belastbarkeit und seine Lebensdauer.
-
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass sich bei einer Veränderung von Gefügestrukturen von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen, die ein ferromagnetisches Material umfassen, sich auch die Permeabilität des Materials verändert. Wird die Permeabilität des Bauteils permanent überwacht, so kann durch die Änderung der richtungsgebundenen Permeabilität auf die Änderung der Gefügestruktur geschlossen werden. Die Messung der Permeabilität muss dabei nicht absolut erfolgen, sondern es reicht bereits aus, die Permeabilitätsänderung zu erfassen. Es können also jeweils die absoluten Werte der magnetischen Permeabilität des Bauteils oder der lokale Gradient der magnetischen Permeabilität des Bauteils bestimmt, insbesondere gemessen werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die zeitliche und/oder ortsaufgelöste bzw. räumliche Änderung der magnetischen Permeabilität des Bauteils erfasst werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine Messung der magnetischen Permeabilität. Dazu kann beispielsweise mithilfe eines entsprechenden Sensors die Oberfläche des Bauteils überstrichen werden, bzw. der Sensor an der Oberfläche entlang geführt werden, beispielsweise mit einem bestimmten Abstand zur Oberfläche.
-
Darüber hinaus kann die magnetische Permeabilität des Bauteils unter Nutzung eines Kraftsensors nach dem magnetoelastischen Prinzip bestimmt, insbesondere gemessen werden. Die Nutzung von Kraftsensoren nach dem magnetoelastischen Prinzip hat den Vorteil, dass parallel zu den Kräften die Materialänderungen mitgemessen werden können.
-
Bevorzugt wird die Eigenspannung des Bauteils bestimmt, beispielsweise gemessen. Darüber hinaus kann der Eigenspannungstensor und/oder der Gradient des Eigenspannungstensors des Bauteils bestimmt, insbesondere gemessen werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn eine Oberflächenkarte der jeweiligen Eigenspannungen und/oder des Eigenspannungstensors und/oder des Gradienten des Eigenspannungstensors des Bauteils erstellt wird. Die Bestimmung des ortsaufgelösten Eigenspannungstensors mithilfe des magnetoelastischen Prinzips ermöglicht eine Erkennung von Materialeigenschaften bzw. ihrer Veränderung.
-
Die Durchführung der Messung kann mit einem magnetoelastischen Messverfahren erreicht werden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberfläche des Bauteils mit dem Sensor überstrichen wird und eine Kartierung des Eigenspannungstensors vorgenommen wird. Der Eigenspannungstensor enthält als Informationsparameter die Amplitude der Hauptspannungen und die Lage, insbesondere die Winkelorientierung, des Hauptspannungssystems. Das Verfahren kann mit Einschränkungen auch mit einem vorhandenen Torsionssensor durchgeführt werden. Es werden in diesem Fall die Eigenspannungen unter 45 Grad – Lageorientierung erfasst. Die bevorzugte Variante des Verfahrens verwendet einen Sensor, der den vollständigen Spannungstensor, d.h. die Lage des Hauptachsensystems, bestimmen kann. Die Erfassung der Lage des Hauptachsensystems bietet ein sehr robustes Verfahren bezüglich von Amplitudenfehlern der gemessenen Einzelspulenspannungen.
-
Im Hinblick auf die Herausforderungen im Zusammenhang mit Produktpiraterie wird bevorzugt der Eigenspannungstensor oder der Gradient des Eigenspannungstensor in Bezug auf zumindest einen bestimmten Bereich der Oberfläche des Bauteils bestimmt und kartographiert. Der jeweilige Eigenspannungstensor oder Gradient des Eigenspannungstensors wird als Identifikationsmerkmal des Bauteils auf einem Speichermedium gespeichert. Zu einem späteren Zeitpunkt kann die Identität des Bauteils nachgewiesen oder ermittelt werden, in dem der Eigenspannungtensor oder der Gradient des Eigenspannungstensors in Bezug auf den bestimmten Bereich der Oberfläche des Bauteils erneut gemessen wird und mit dem gespeicherten Eigenspannungstensor oder dem gespeicherten Gradienten des Eigenspannungstensors verglichen wird. Auf diese Weise kann das Bauteil beispielsweise als aus einem konkreten Herstellungsbetrieb oder von einem bestimmten Hersteller stammend identifiziert werden. Bei dem Bauteil kann es sich z.B. um ein Ersatzteil für eine spezielle Maschine mit speziellen Sicherheitsanforderungen handeln. In diesem Fall ermöglicht das beschriebene Verfahren den Nachweis, dass das konkrete Bauteil beispielsweise spezielle Sicherheitsprüfungen durchlaufen hat.
-
Weiterhin können bleibende Verformungen und damit Überbeanspruchungen des Bauteils durch Auswertung der ermittelten Änderungen der Gefügestruktur bzw. der ermittelten Permeabilitätsänderungen ermittelt und damit nachgewiesen werden. Auch können Oberflächendefekte, beispielsweise infolge von Einschlägen oder hohen lokalen Druckspannungen, des Bauteils und/oder Materialschäden, beispielsweise infolge von lokaler thermischer Überbeanspruchung oder infolge von Wärmebehandlungen ermittelt bzw. nachgewiesen werden.
-
Darüber hinaus können auch Korngrenzen des Bauteils erfasst und damit auch sichtbar gemacht werden. Dazu müssen die verwendeten Sensoren entsprechend klein gebaut werden. Die Größe der Gefüge zu erkennen ist wichtig bei Qualitätskontrollen von Materialen, z. B. bei der Herstellung oder bei der Wärmebehandlung. Des Weiteren können Inhomogenitäten in Materialen mit diesem Verfahren erfasst werden.
-
Grundsätzlich kann zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ein Sensorsystem verwendet werden, welches permanent über die Betriebszeit einer das Bauteil umfassenden Anlage installiert ist oder welches als Handprüfgerät ausgestaltet ist. Insgesamt ist somit eine zerstörungsfreie Prüfung von Materialeigenschaften möglich. Das Verfahren kann also als Qualitätssicherungsmaßnahme oder zur Überwachung kritischer Bauteile eingesetzt werden. Es ermöglicht, höhere Belastbarkeiten bei, z.B. nachträglich angewendeten Oberflächenhärteverfahren, welche sich auf die Druckeigenspannungen des Bauteils auswirken, anzusetzen, da das Maß der Eigenspannung bedingt durch das angewendete Verfahren, beispielsweise Kugelstrahlen, ULT-Hämmern, Walzen, Kaltverfestigen, Rollieren, etc., ermittelt werden kann und als realer Bauteilwert ohne statistische Flottenmittelung angesetzt werden können.
-
Bei dem Bauteil kann es sich z.B. um ein Zahnrad, ein Lager, eine Brücke, einen Reaktordruckbehälter, eine Welle, eine Achse, beispielsweise in Kraftwerken, eine Schweißnaht, eine Dampfleitung, eine Gehäusekomponente, ein Bauteil einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, oder ein Bauteil eines Flugzeugs handeln. Das Bauteil kann insbesondere ferromagnetisches Material umfassen.
-
Grundsätzlich können mithilfe des beschriebenen Verfahrens, insbesondere sicherheitsrelevante Bauteile überwacht werden, was bisher nur zerstörend oder mit transportablen Röntgendiffraktometern überprüft werden konnte.
-
Das Eigenspannungsniveau von Oberflächen ist prinzipiell ein sicheres Indiz für deren Belastbarkeit. Kommt es zu Umlagerungen der Eigenspannungen, insbesondere der Druckeigenspannungen, so sinkt das Maß der Belastbarkeit um den Betrag der verminderten Druckeigenspannung. Dies ist der Fall bei beispielsweise Zahnrädern und Lagern. Bevor es zu einer Plastifizierung kommen kann oder bevor es zu einer Umlagerung im Gefüge kommen kann, kommt es unter Umständen zunächst zu einem Eigenspannungsabbau, der aus einem Belastungskollektiv zusammengesetzt aus chemischen, elektrischen und mechanischen Belastungen innerhalb des tribologischen Systems des Maschinenelements kommen kann. Hier wirken oberflächennahe Effekte derart schädigend, dass es zu einer lokalen Umlagerung von Eigenspannungen und damit dann auch zu Gefügeveränderungen kommen kann. Diese wirken auf die Makrostruktur des Gefüges und insbesondere auf die Karbide. Die Kombination aus Permeabilitätsänderung des Werkstoffes und das Absinken der Eigenspannung ist ein sicheres Zeichen für die Ermüdung des Bauteils.
-
Die Prüfung von Bauteilen mit einem magnetoelastischen Sensorsystem bietet den Vorteil, dass zerstörungsfreie Rückschlüsse auf Gefügeänderungen des Bauteils getroffen werden können. Des Weiteren ist das Verfahren geeignet zur permanenten Überwachung von Bauteilen in Anlagen. Die Nutzung von magnetoelastischen Sensoren bietet weiterhin den Vorteil, dass durch entsprechende Verschaltung und Berechnung zwischen von außen aufgebrachten Kräften und der Permeabilitätsänderung der Eigenspannungen unterschieden werden kann. Somit lassen sich z.B. Veränderungen bzw. Ermüdung des Materials erkennen, bevor Schäden sichtbar werden. Bei einer thermisch bedingten Zustandsschädigung kann der Schädigungsverlauf permanent überwacht werden, bevor dieser kritische Werte erreicht.
-
Erfindungsgemäß können die Permeabilitätsänderung, die Kraftbelastung, aber auch das Eigenspannungsniveau des Bauteils überwacht werden. Gerade dies ist maßgebend für die Belastbarkeit und daher die Ermüdungsgrenze der Bauteile. Weiterhin kann das prinzipbedingt ermittelte Lastniveau des Bauteils durch das Messverfahren derart verwendet werden, dass eine Korrelation der Belastung mit der ebenfalls ermittelten Gefügeveränderung, insbesondere mit der ebenfalls mit der Ermüdung und Zeitstandsschädigung verbundenen Veränderung des Eigenspannungsniveaus ermittelt werden kann. Dieser Vergleich ermöglicht es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die noch vorhandene Belastbarkeit des Bauteils anzugeben. Einer verminderten Belastbarkeit kann mit einer Reduzierung der Belastung begegnet werden, bis Reparaturmaßnahmen ergriffen werden können.
-
Werden die Sensoren entsprechend klein gebaut, können zudem Gefügegrenzen sichtbar gemacht werden. Die Systeme können in der Qualitätssicherung von Zahnrädern, Wellen oder Lagern verwendet werden. Ebenso kann eine Bauteilidentifikation zur Erkennung von Produktpiraterie durchgeführt werden. Hier ist es ein großer Vorteil, dass ein Kopierer gar nicht weiß, wo der Spannungs-Fingerabdruck des Originalherstellers abgenommen wird. Darüber hinaus ist der Spannungs-Fingerabdruck individuell, das heißt er kann nicht kopiert werden. Durch die Fertigungsunterlagen des OEM bzw. Originalherstellers ist unmittelbar feststellbar, ob es sich um ein Originalteil bzw. Originalersatzteil handelt.
-
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens kann ein Sensor bzw. eine Sensoranordnung verwendet werden, wie sie beispielsweise in der
europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 13182806.3 beschrieben ist.
-
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
-
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Das im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel stellt lediglich ein Beispiel dar, welches den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränkt.
-
1 zeigt schematisch das Scannen einer Materialoberfläche mit einem magnetoelastischen Sensor zur Erfassung der Gefügestruktur.
-
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Sensor und die zu untersuchende Oberfläche.
-
Die 1 zeigt schematisch das Scannen einer Materialoberfläche 4 mit einem magnetoelastischen Sensor 1 zur Erfassung der Gefügestruktur. Die 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt der Oberfläche 4 eines Bauteils. Die Oberfläche 4 weist einzelne Gefügeabschnitte 2 auf, die jeweils durch Korngrenzen 3 voneinander getrennt werden. Der magnetoelastische Sensor 1 wird über die Oberfläche 4 geführt, vorzugsweise in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche 4.
-
Die 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Sensor 1 und die zu untersuchende Oberfläche 4. Mithilfe des Sensors wird die Permeabilität ortsaufgelöst und richtungsabhängig zu verschiedenen Zeiten, also zeitabhängig, gemessen. Die Messwerte werden miteinander verglichen und aus möglichen Permeabilitätsänderungen auf Veränderungen in der Gefügestruktur geschlossen. Auf diese Weise lässt sich eine mögliche Ermüdung des Materials frühzeitig feststellen. Bei den Messwerten kann es sich um den jeweiligen absoluten Wert der Eigenspannung und/oder den Eigenspannungstensor und/oder den Gradienten des jeweiligen Eigenspannungstensors handeln.
-
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 Patentliteratur
-
