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Verfahren zum Bestimmen der Einhärtetiefe an Gegenständen aus ferromagnetischem
Werkstoff Zur zerstörungsfreien Messung der Einhärtetiefe an Werkstücken aus ferromagnetischem
Werkstoff, also etwa an Walzen, insbesondere Kaltwalzen, aber auch an Kurbelwellen
od. dgl. sind schon die verschiedensten Vorschläge gemacht worden. Die meisten der
vorgeschlagenen Verfahren sind praktisch nicht zur Anwendung gelangt, da die Meßgenauigkeit
zu gering war. Im Laufe der Zeit hat es sich herausgestellt, daß von. allen in Frage
kommenden Methoden wohl nur die magnetischen Meßverfahren Aussicht auf Erfolg haben.
Aber selbst die bisher vorgeschlagenen magnetischen Meßverfahren weisen eine zu
große Meßungenauigkeit auf, insbesondere dann, wenn es sich um die Bestimmung größerer
Einhärtetiefen handelt, so wie sie beispielsweise bei Kaltwalzen und ähnlichen Gegenständen,
aber auch bei bestimmten Größen von Kurbelwellen vorkommen.
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Eines der bekannten magnetischen Meßverfahren zur Bestimmung der
Einhärtetiefe an Kaltwalzen wird so durchgeführt, daß ein etwa U-förmiges Joch,
dessen Polschuhe der Walzenoberfläche genau anliegen, auf die Walze aufgesetzt wird
und mit Hilfe einer das Joch umgebenden, gleichstromdurchflossenen Wicklung, die
Walze an der Oberfläche bis zu einer gewissen Tiefe aufmagnetisiert wird. Hiernach
wird das Erregerfeld bzw. der Spulengleichstrom abgeschaltet und nun mittels einer
Kompensationsmethode die Feldstärke des auf der Walzenoberfläche gebildeten Dauermagnetpols
gemessen. Dies kann so geschehen, daß mittels des gleichen Joches eine von Null
langsam ansteigende Gegenfeldstärke erzeugt wird und diejenige Gegenfeldstärke bzw.
der ihr entsprechende Strom gemessen wird, der notwendig ist, um den remanenten
Magnetismus der Walzenoberfläche gerade wieder zu beseitigen. Um diesen Punkt genau
ermitteln zu können, kann beispielsweise im Querschenkel des erwähnten Joches eine
schwenkbare Hilfsspule, die mit einem Zeiger verbunden ist, angebracht sein. Diese
Hilfsspule wird von einem Hilfsgleichstrom durchflossen, und sie wird immer dann
einen Ausschlag zeigen, wenn durch den Querschenkel des Joches bzw. durch den Luftspalt,
in dem sich die Spule befindet, ein magnetischer Fluß vorhanden ist. Dieser magnetische
Fluß kann durch den remanenten Magnetismus der Walzenoberfläche verursacht sein
oder durch das im Joch erzeugte magnetische Gegenfeld. Sind die beiden magnetischen
Flüsse einander entgegengesetzt gleich, so kompensieren sie sich, und die Spule
wird keinen Ausschlag zeigen. Dieser Punkt wird bei dem in Rede stehenden Verfahren
ermittelt und die zu
seiner Einstellung erforderliche Stromstärke empirisch etwa
mit Hilfe einer Eichkurve - zur Einhärtetiefe in Beziehung gesetzt.
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Dieses bekannte Verfahren hat einmal den Nachteil, daß das Joch aufs
genaueste der Walzenoberfläche anliegen muß. Es ist also erforderlich, für jede
Walzengröße ein neues Joch, zumindest aber ein neues Polschuhpaar zu verwenden.
Andererseits hat sich auch gezeigt, daß dieses Verfahren lediglich für die Bestimmung
von Einhärtetiefen von etwa 5 bis 12 mm brauchbar ist. Oberhalb und unterhalb dieses
Bereiches reicht die Meßgenauigkeit für praktische Zwecke nicht aus. Außerdem verfälscht
die Remanenz des Joches das Meßergebnis in unkontrollierbarer Weise.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, daß mittels eines
an einem Ende angespitzten oder abgerundeten Dauermagnetstabes auf der Oberfläche
des zu untersuchenden Werkstückes ein magnetischer Punktpol erzeugt wird. Dieser
magnetische Punktpol wird anschließend - nach Entfernung des Dauermagneten - mittels
eines Feldstärkemeßgerätes hinsichtlich seiner Stärke ausgemessen. Die so bestimmte
Restfeldstärke wird nun wiederum mittels einer Eichkurve zur Einhärtetiefe in Beziehung
gesetzt.
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Die praktische Erprobung des zuletzt genannten Verfahrens hat gezeigt,
daß dieses nur bis zu einer Einhärtetiefe von wenigen Millimetern anwendbar ist.
Darüber hinaus ist der magnetische Fluß des Dauermagneten nicht in der Lage, den
Werkstoff gleichmäßig zu durchfluten, so daß auch eine für praktische Zwecke brauchbare
Messung auf diese Weise nicht möglich ist.
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Es hat sich nun ergeben, daß ein praktisch brauchbares Verfahren
zum Bestimmen der Einhärtetiefe an Gegenständen aus ferromagnetischem Werkstoff
durch
punktförmiges Aufmagnetisicren der zu untersuchenden Werkstücke, Abschalten des
von außen angelegten Feldes und Entfernen der Magnetisierungsvorrichtung und durch
Bestimmen der Restfeldstärke erhalten wird, wenn erfindungsgemäß eine solche Aufmagnetisierung
vorgenommen wird, daß in der Oberfläche des Prüfkörpers mindestens zwei einander
zugeordnete entgegengesetzte remanente punktförmige Magnetpole erzeugt werden, deren
Abstand P der Beziehung P= (0,5 . . . 2,5) T genügt, wobei T die Härtetiefe darstellt,
und die Restfeldstärke über einen dieser Punktpole ermittelt wird.
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Es sind somit die im folgenden aufgezeigten Arbeitsschritte, die
für sich betrachtet teilweise bekannt sind. in der angegebenen Reihenfolge auszuführen:
a) Aufmagnetisieren der zu untersuchenden Werkstückzone an wenigstens zwei benachbarten,
punktförmigen, einander zugeordneten Stellen mittels eines hufeisenförmigen Gleichstromelektromagneten,
dessen beide Polschuhe angespitzt sind. Hierbei ist so zu verfahren, daß der Abstand
P der Polschuhspitzen voneinander der Beziehung P=(0,5... 2,5) T genügt, wobei T
die vermutliche Einhärtetiefe darstellt. b) Nach erfolgtem Aufmagnetisieren der
Werkstückoberfläche an wenigstens zwei benachbarten punktförmigen Stellen wird das
von außen angelegte Feld abgeschaltet und die Magnetisierungsvorrichtung entfernt.
c) Hierauf wird die Restfeldstärke des Werkstückes an wenigstens einem der bei Schritt
a) gebildeten Punktpole auf der Werkstückoberfläche mittels eines an sich bekannten
Feldstärkemessers gemessen. Als besonders vorteilhaft hat sich, wie bei der zerstörungsfreien
magnetischen Werkstoffprüfung bereits bekannt, die Verwendung einer »Hall-Sonde«
erwiesen. d) Die so ermittelte Restfeldstärke des auf der Werkstückoberfläche erzeugten
Punktpols kann nun mit Hilfe einer Eichkurve zur Einhärtetiefe in Beziehung gesetzt
werden. Eine solche Eichkurve muß vorher durch Ausmessen der Restfeldstärke an verschieden
tief gehärteten Werkstücken angefertigt werden. Es hat keinen Sinn, derartige Eichkurven
generell wiederzugeben, da sie nur für diejenige Vorrichtung streng gelten, mit
der sie aufgenommen wurden. Die Bestimmung der Einhärtetiefe an den Eichwerkstücken
geschieht in der üblichen Weise durch Abschleifen und anschließende mechanische
Härtebestimmung.
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Durch die Verwendung eines zweipoligen Elektromagneten beim Aufmagnetisieren
des Werkstückes wird gewährleistet, daß der aus dem einen Pol des Elektromagneten
austretende magnetische Fluß in verhältnismäßig hoher räumlicher Konzentration zum
Gegenpol fließt. Hierdurch ist es möglich, diesen magnetischen Fluß durch die gehärtete
Oberflächenschicht bis zum weichen Kern des Prüflings zu führen und damit die Dicke
der gehärteten Schicht zu bestimmen.
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An Hand der Abbildungen soll das crfindungsgemäß vorgeschlagen Verfahren
noch einmal kurz erläutert werden.
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A b b. 1 veranschaulicht den oben erläuterten Schritt a) sowie die
Vorrichtung, die zur Ausführung dieses Schrittes erforderlich ist. Es ist zu bemerken,
daß die einzelnen Teile in A b b. 1 nicht maßstabgetreu wiedergegeben sind. vielmehr
sind die Vorrichtungsteile im Verhältnis zur Walze vergrößert dargestellt.
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A b b. 2 zeigt das Ausmessen der auf der Walzenoberfläche gebildeten
Punktpole mittels eines an sich bekannten Feldstärkemessers.
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In A b b. ] ist bei 1 als Beispiel flir einen auszumessenden Gegenstand
eine Walze dargestellt mit ihrem weichen Kern 2 und ihrer Härtezone 3. Die erfindungsgemäß
zu verwendende Aufmagnetisierungsvorrichtung ist bei 4 dargestellt. Bei 5 ist der
eisenförmige Elektromagnetkern zu erkennen mit den angespitzten Polschuhen 6 und
6'. Die Gleichstromwicklung, welche den hufeisenförmigen Kern umgibt, ist bei 7
angedeutet. Bei 8 wird eine Gleichstromquelle - etwa ein Akkumulator od. dgl. -
mit der Wicklung verbunden. Der Feldlinienverlauf im Innern des Werkstückes ist
bei 9 angedeutet. Es ist zu erkennen, daß die Mehrzahl der Feldlinien in der gehärteten
Oberflächenschicht verläuft. Die Eindringtiefe des magnetischen Flusses ist aber
so groß, daß dieser ebenfalls bis in den weichen ungehärteten Kern 2 des Werkstückes
eindringt.
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Durch den Aufmagnetisierungsvorgang bilden sich auf der Oberfläche
des Werkstückes zwei punktförmige, gegensinnige und einander zugeordnete remanente
Magnetpole aus. Die Feldstärke dieser remanenten Magnetpole ist abhängig von der
Stärke (Dicke) der gehärteten Oberflächenschicht. Der Feldlinienverlauf außerhalb
des Werkstückes dieser beiden Dauermagnetpole ist in Abt. 2 bei 10 angedeutet. Bei
lt ist die Meßsonde des Feldstärkemeßgerätes zu erkennen, wie es gemäß Schritt c)
des oben erläuterten Verfahrens angewendet wird.
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Die Tiefe, bis zu welcher die Kraftlinien bei der Aufmagnetisierung
in das Werkstück eindringen müssen, richtet sich naturgemäß nach der Dicke der zu
bestimmenden Härtezone. Die Verhältnisse sollen stets so sein, daß die Feldlinien
ein wenig tiefer in das Werkstück eindringen, als die zu bestimmende Härtezone sich
erstreckt. Andererseits darf die Tiefenausdehnung auch nicht zu groß sein, da sonst
das Verhältnis der beiden aufzumagnetisierenden Werkstoffvolumina bzw. der Meßgröße
zu ungünstig wird.
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Die genauen Verhältnisse, die hier vorherrschen, werden stets Sache
der Erfahrung bleiben; angenähert werden sie durch die oben angegebene Formel beschrieben.