DE19620053C1 - Verfahren zum zerstörungsfreien Untersuchen der Oberflächenschicht elektrisch leitfähiger Werkstücke - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solches ist bekannt aus der DE 43 10 894 A1.

Zur Untersuchung der Oberfläche eines Werk­ stoffes wird danach eine Prüfspule eingesetzt, welche ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, dem der zu untersuchende Werkstoff ausgesetzt wird. Durch Einbringen des Werkstoffes in das magnetische Wechselfeld stellt sich in der Prüfspule eine charakteristische Induktivität ein, die bestimmt wird. Anhand des Meßwert es läßt sich eine Aussage über eine Mate­ rialeigenschaft der Oberflächenschicht des untersuchten Werkstoffes treffen. Mit Hilfe des bekannten Zusammenhanges zwischen der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes und seiner Eindringtiefe in den zu untersuchenden Werkstoff läßt sich dabei festlegen, bis zu welcher Tiefe eine Oberflächen­ schicht untersucht wird. Durch Messung bei mehreren ver­ schiedenen Frequenzen und geeignete Auswertung kann damit beispielsweise der Härteverlauf in der untersuchten Oberflä­ chenschicht bestimmt werden.

DE 40 39 426 A1 offenbart ein Wirbelstrommeßverfahren zum Bestimmen der Dicke einer Schicht. Verfahrensgemäß wird an einem Meßort, an dem die Dicke bestimmt werden soll, unter Variation der Wirbelstromfrequenz eine Wirbelstrommeßkurve aufgenommen. Von dieser wird der Wendepunkt ermittelt, des­ sen Wert einem zuvor durch Kalibrierung mit einem bekannten Material gewonnenen Dickenmeßwert zugeordnet werden kann. Zur Erleichterung des Auffindens des Wendepunktes ist unter Nutzung des mathematischen Prinzips, daß am Wendepunkt die Ableitung ein Maximum/Minimum annimmt, vorgesehen, die Meß­ signalkurve nach der Frequenz abzuleiten. Das Verfahren ar­ beitet nur punktuell und gestattet Aussagen nur in Verbin­ dung mit einer Referenzmeßkurve. Eine ganzheitliche, direkte Auswertung der erhaltenen Meßkurve ist nicht möglich.

Aus der DD 2 37 448 A3 ist desweiteren ein Wirbelstrommeßver­ fahren zur Bestimmung mechanischer Größen bekannt. Zur Mes­ sung der Geschwindigkeit bzw. der Beschleunigung eines zuge­ ordneten Gegenstandes werden ortsbezogene Meßwerte einfach bzw. zweifach nach der Zeit differenziert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein zerstörungsfreies Prü­ fungsverfahren anzugeben, daß es gestattet, die Materialbe­ schaffenheit der Oberfläche eines Werkstoffes auch für Mate­ rialdicken über 200 µm zuverlässig zu beurteilen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine sichere Beurteilung eines zu prüfenden Werkstücks bis zu einer Oberflächenschichttiefe von ca. 0,5 mm. Gegenüber dem vorbeschriebenen, bekannten Verfahren ergibt sich eine deutliche Erhöhung der Meßempfindlichkeit bei gleichzeitiger Verringerung des Einflusses von Störgrößen wie Formfehlern, Aufsetzfehlern oder Chargeneinfluß auf das Meßergebnis. In vorteilhafter Weise werden zudem durch Offsetdrift der Aus­ werteeinrichtung begründete Meßfehler unterdrückt.

Ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert.

Zeichnung

Es zeigen

Fig. 1 eine Prüfeinrichtung mit einem zu untersuchenden Werkstück, Fig. 2 und 4 in herkömmlicher Weise aufgenommene Kennlinien, Fig. 3 und 5 mit dem vorgeschlagenen Verfahren ermittelte Kennlinien.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau einer zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeigneten Anordnung. Sie besteht aus einem Spulenträger 4, dessen Kopfseite auf die Oberfläche 5 eines zu prüfenden Werkstoffes 3 aufgesetzt wird. An der Kopfseite befindet sich eine Sensorspule 1. Über Zuleitungen 7 ist sie mit einer Anordnung 6 zum Erzeugen einer Wechselspannung sowie zum Erfassen der Induktivität der Sensorspule 1 verbunden. Aufbau und Ausgestaltung der Spule 1, des Spulenträgers 4 sowie der Meßanordnung 6 sind in einem weiten Rahmen variierbar, beispielsweise ist es zweckmäßig, die Geometrie des Spulenträgers 4 mit der Spule 1 der Geometrie des jeweils untersuchten Werkstückes anzupassen. Weitere Ausgestaltungen sind u. a. der bereits genannten DE 43 10 894 A1 sowie dem darin angegebenen Stand der Technik entnehmbar, auf die hierzu verwiesen wird.

Für den Untersuchungsvorgang wird die Prüfsonde 1, 4 schlüssig und fest auf die zu untersuchende Werkstückoberfläche 5 aufgesetzt. An die Spule 1 wird sodann in für das Induktiv- bzw. Wirbelstromverfahren bekannter Weise ein hochfrequenter Wechselstrom zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes in der Spule 1 angelegt. In Abhängigkeit von dessen Frequenz sowie von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des untersuchten Werkstoffes 3 dringt das magnetische Wechselfeld in das Werkstück ein. Dabei beeinflußt seinerseits der untersuchte Werkstoff das magnetische Wechselfeld entsprechend der Eindringtiefe und seinen elektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften. Es stellt sich ein charakteristisches magnetisches Wechselfeld ein, welches meßbar ist. Als Meßgröße dient vorzugsweise die Induktivität und/oder der Wechselstromwiderstandswert der Spule 1, welche in bekannter Weise in der Auswerteanordnung 6 erfaßt werden.

Üblicherweise erfolgt die Untersuchung eines Werkstoffes 3 jeweils durch die Gewinnung von Meßergebnissen zu mehreren Frequenzen. Betrachtet wird dabei jeweils eine Folge von Schichten mit zunehmender oder abnehmender Dicke. Bei graphischer Darstellung der jeweils gemessenen Induktivität L über der Wechselfeldfrequenz F beziehungsweise der zugeordneten Eindringtiefe ergibt sich in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des untersuchten Werkstücks eine charakteristische Kennlinie für den Zusammenhang zwischen dem Meßsignal und der erfaßten Eindringtiefe in das untersuchte Werkstück. Fig. 2 zeigt als Beispiel für eine Anwendung dieser bekannten Untersuchungstechnik eine Reihe von an nitrierten Stählen aufgenommenen Frequenzgangkennlinien. Aufgetragen ist als Meßgröße die an der Spule 1 gemessene Induktivität L über der Frequenz F des magnetischen Wechselfeldes. Angegeben ist ferner die der Wechselfeldfrequenz jeweils entsprechende Eindringtiefe. Bezugszahl 10 bezeichnet eine Kennlinie, wie sie im betrachten Fall einer einwandfreien Nitrierschicht entspricht. Kennlinie 11 charakterisiert hingegen eine fehlerhafte, nicht ausreichend lange nitrierte Schicht, die sich ergab, wenn die Nitrierung nur über 20 statt der erforderlichen 30 Stunden erfolgte. Die gleichfalls eine fehlerhafte Nitrierschicht charakterisierende Kennlinie 12 entspricht einer Nitrierdauer von 10 anstelle von 30 Stunden, Kennlinie 13 ergab sich bei weiterer Verkürzung der Nitrierdauer auf 5 Stunden. Die Kennlinie 14 entspricht schließlich dem Fall, wenn überhaupt keine Nitrierung erfolgte. Je kürzer demnach die Nitrierdauer ist, und damit je weicher und dünner die nitrierte Schicht ausfällt, desto größer werden die Induktivitätsmeßwerte. Als Grundlage für eine Aussage über die Qualität einer untersuchten Schicht kann beispielsweise die Differenz zwischen der einem fehlerfreien Werkstoff entsprechenden Kennlinie 10 und der jeweils ermittelten Kennlinie herangezogen werden. Wie Fig. 2 zeigt, ist auf diese Weise eine zuverlässige Beurteilung eines untersuchten Werkstoffes für Wechselfeldfrequenzen F von etwa 5 bis 200 KHz, entsprechend Eindringtiefen von etwa 0,03 bis 0,20 mm bei typischen Nitrierstählen möglich.

Für Eindringtiefen größer als 0,2 mm, entsprechend Wechselfeldfrequenzen mit etwa F < 5 KHz ist eine zuverlässige Beurteilung des untersuchten Werkstoffes dagegen nicht mehr möglich. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die sich ergebenden Kennlinien in diesem Frequenzbereich nicht mehr zuverlässig unterscheidbar. Beispielsweise kann wegen des Zusammenlaufens der Kennlinien 13 und 14 für Frequenzen kleiner als 5 KHz nicht mehr festgestellt werden, ob ein Werkstück gar nicht oder nur erheblich zu kurz nitriert wurde. Ebenso ist es wegen Zuammenlaufens der Kennlinien 11 und 12 für Frequenzen kleiner 2,5 KHz nicht mehr möglich, zu entscheiden, ob eine Nitrierdauer um 10 oder um 20 Stunden zu kurz angesetzt war.

Eine wesentliche Ursache für die eingeschränkte Zuverlässigkeit der Beurteilungsmethode für Frequenzen kleiner 5 KHz ist die in der Regel begrenzte Genauigkeit der Auswerteanordnung, welche zudem von einer abnehmenden Meßempfindlichkeit für kleinere Frequenzen begleitet wird. Dadurch können Meßfehler, die etwa auf eine Offsetdrift der Meßanordnung oder auf unterschiedliche Legierungszusammensetzungen das untersuchten Werkstoffes zurückzuführen sind, die Meßresultate stark beeinflussen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Problem der abnehmenden Brauchbarkeit des bekannten Verfahrens für größere Eindringtiefen gelöst. Für einen zu untersuchenden Werkstoff wird hierbei zunächst in bekannter Weise eine Kennlinie L(F) für den Zusammenhang zwischen sich einstellender Spuleninduktivität und Wechselfeldfrequenz bestimmt. Die aufgenommene Kennlinie wird sodann jedoch durch Bildung der Differentiale dL/dF, oder auch dL/dlogF nach der Wechselfeldfrequenz F differenziert. Das Ergebnis der Differentiation wird als abgeleitete Kennlinie dargestellt. Ein Beispiel für solchermaßen abgeleitete Kennlinien zeigt Fig. 3. Dargestellt sind abgeleitete Kennlinien 10a bis 14a, welche sich durch Differentiation gemäß dL/dlogF aus den in Fig. 2 wiedergegebenen Kennlinien 10 bis 14 ergeben. Einander entsprechende Kennlinien und abgeleitete Kennlinien sind jeweils durch den Zusatz a zu der Bezugszahl gekennzeichnet, so ergibt sich etwa die abgeleitete Kennlinie 10a aus der Kennlinie 10 in Fig. 2. Durch die Differentiation ergibt sich, wie aus Fig. 3 ersichtlich, in überraschender Weise, daß die Kennlinien auch für den Frequenzbereich unterhalb 6 KHz, in dem sie vor der Differentiation teilweise aufeinanderfielen, nunmehr gut unterscheidbar sind. Entsprechend ist dadurch für größere Eindringtiefen eine zuverlässige Beurteilung des untersuchten Werkstückes möglich. Vorteilhaft bewirkt die Verwendung der abgeleiteten Kennlinien zur Beurteilung eines Werkstückes zudem eine deutliche Erhöhung der Meßempfindlichkeit der Auswerteanordnung. Im Beispiel Fig. 3 ist dies daran erkennbar, daß die abgeleiteten Kennlinien 10a bis 14a auch bei der Frequenz F = 1 Khz noch vergleichsweise klar unterscheidbar sind. Ohne apparativen Zusatzaufwand kann dadurch eine Beurteilung dickerer Schichten erfolgen.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Verwendung von abgeleiteten Kennlinien ist anhand der Fig. 4 und 5 veranschaulicht. Um eine zuverlässige Aussage über die Qualität eines untersuchten Werkstückes zu erhalten, muß die Prüfspule 1 mit sehr großer Genauigkeit auf die Oberfläche 5 des untersuchten Werkstückes 3 aufgesetzt werden. Erfolgt das Aufsetzen fehlerhaft, indem etwa zwischen Spulenträger 4 mit Prüfspule 1 und Werkstückoberfläche 5 ein Abstand verbleibt, führen die erhaltenen Kennlinien zu falschen Beurteilungen. Um dies deutlich zu machen, zeigt Fig. 4 wiederum für das Beispiel eines nitrierten Stahles Kennlinien 10 und 14, welche einem fehlerfreien bzw. einen in fehlerhafter Weise nicht nitrierten Werkstück entsprechen, und die sich ergeben bei korrektem Aufsetzen der Prüfspule 1 auf die Werkstückoberfläche. Wird bei der Aufnahme der Kennlinien ein Aufsetzfehler gemacht, der im Beispiel durch Einbringen einer Kunststoffolie zwischen Sensorspule 1 und Werkstoffoberfläche 5 realisiert wurde, ergibt sich für ein einwandfreies Werkstück die Kennlinie 15, für ein in fehlerhafter Weise nicht nitriertes Werkstück die Kennlinie 16. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, kreuzen sich die Kennlinien 10 und 16 im Bereich zwischen 10 und 2,5 Khz. Eine Beurteilung des untersuchten Werkstückes ist hier nicht möglich, weil nicht entschieden werden kann, ob das Meßergebnis von einem fehlerbehafteten Material in Verbindung mit einem Aufsetzfehler oder von einem fehlerfreien Material herrührt.

Werden die in Fig. 4 wiedergegebenen Kennlinien erfindungsgemäß differenziert, ergeben sich die in Fig. 5 dargestellten abgeleiteten Kennlinien. Wiederum sind zueinandergehörende Kennlinien durch den Zusatz a zur Bezugszahl bezeichnet, beispielsweise resultiert die abgeleitete Kennlinie 15a aus der Kennlinie 15. Wie aus der Fig. 5 deutlich wird, sind die Kennlinien nach Überführung in abgeleitete Kennlinien für Frequenzen kleiner 10 KHz, d. h. für Eindringtiefen größer etwa 0,1 mm, gut unterscheidbar. Dadurch ist insbesondere eine zuverlässige Aussage darüber möglich, ob ein Werkstück im Bereich einer Oberflächenschichttiefe von über 0,1 mm fehlerfrei ist. Die zugehörige abgeleitete Kennlinie muß dann im Bereich der Kurve 10a liegen. Wie die Fig. 5 ebenfalls zeigt, wird auch der Einfluß von Aufsetzfehlern auf das Meßresultat verringert.

Besonders vorteilhaft arbeitet das vorgeschlagene Verfahren bei größeren Eindringtiefen, im in den Fig. 3 und 5 veranschaulichten Beispiel solche von über 0,15 mm. Der genaue Wert ist dabei abhängig von der Stoffbeschaffenheit des jeweiligen Nitrierstahls und kann entsprechend schwanken. Für die vollständige Untersuchung dickerer Schichten hat es sich deshalb als zweckmäßig erwiesen, das vorgeschlagene Konzept der Bildung von abgeleiteten Kennlinien nur für auf größere Eindringtiefen, von zum Beispiel über 150 µm, gerichtete Messungen mit Meßfrequenzen unterhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz einzusetzen. Die Untersuchung der weiter an der Oberfläche liegenden, einer geringeren Eindringtiefe entsprechende Schichten im Bereich bis zu 150 µm erfolgt hingegen in einfacher Weise direkt aus den aufgenommenen Frequenzgangkennlinien, wie sie in Fig. 2 und 4 wiedergegeben sind. Abgeleitete Kennlinien werden für diese Bereiche zweckmäßig nicht gebildet. Die Grenzfrequenz, welche die untersuchte Schicht in einer großen bzw. einer geringen Eindringtiefe entsprechende Bereiche untereilt, wird zweckmäßig empirisch auf der Grundlage von Testversuchen bestimmt.

Claims (3)

1. Verfahren zum zerstörungsfreien Untersuchen eines ober­ flächennitrierten, elektrisch leitfähigen Werkstückes mit­ tels eines mit Hilfe einer Prüfspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes durch Erfassen der sich in Abhängigkeit von der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes in der Prüfspule einstellenden Induktivität, wobei

• - die Induktivitätsbestimmung für mehrere Frequenzen F wie­ derholt und aus den Meßwerten eine Frequenzgangkennlinie L(F) (10 bis 15) gebildet wird,
• - die Frequenzgangkennlinie L(F) (10 bis 15) nach F abge­ leitet wird, um eine abgeleitete Kennlinie (10a bis 15a) zu erhalten,
• - anhand der abgeleiteten Kennlinie (10a bis 15a) eine Aus­ sage über wenigstens eine Materialeigenschaft des unter­ suchten Werkstückes (3) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzgangkennlinie b (F) (10 bis 15) nach dem Log­ arithmus von F differenziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Frequenzen die größer sind als eine vorbestimmte Grenz­ frequenz, eine Aussage über eine Materialeigenschaft des un­ tersuchten Werkstückes (3) unmittelbar aufgrund der Fre­ quenzgangkennlinie L(F) (10 bis 15) erfolgt.