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Darüber hinaus ist ein weiteres Schichtdickenmeßverfahren bekannt,
welches zur Bestimmung der Dicke von plastisch bildsamen über eine elektrisch leitende
Walze laufenden Bahnen dient (vgl. deutsche Patentschrift 849759). Hierbei wird
mit bekannter Geschwindigkeit ein spitzer metallischer Probekörper radial auf den
von der Bahn umschlungenen Umfangsteil der Walze zu bewegt und das kurze Zeitintervall
zwischen dem ersten Berühren der Spitze auf der Bahnoberfläche und dem Berühren
auf der Walzenoberfläche gemessen, welches als Maß für die Bahndicke dient. Dieses
Verfahren ist nicht ohne
weiteres auf stillstehende Bahnen oder
Schichten übertragbar und auch auf weiche Schichtwerkstoffe beschränkt; im übrigen
ist es apparativ recht kompliziert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dessen
Hilfe die Dicke von aufgebrachten Schichten schnell und ohne aufwendige Apparaturen,
und vor allem ohne Zerstörung eines Werkstücks zuverlässig festgestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit einem
Schneidwerkzeug eine im Querschnitt V-förmige, mit der Werkzeugspitze die zu messende
Schicht bis auf das Grundmaterial durchdringende punkt- oder linienförmige Vertiefung
herausgeschnitten wird, von deren Flanken wenigstens eine stumpfwinklig unter einem
auf Grund der Schneidengeometrie definierten Winkel zur Schichtoberfläche verläuft,
und daß durch geeignete Beleuchtung der Schnittflächen der Schicht die Schichtgrenze
sichtbar gemacht wird und die Erscheinungsbreite der Schichtdickenschnittfläche
unter Beachtung der Schneiden- und der Betrachtungsgeometrie als Maß für die Schichtdicke
gemessen wird.
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Zwar wird durch die punkt- oder linienförmige V-förmige Vertiefung
die Schicht verletzt, dadurch aber im Regelfall der die Beschichtung tragende Körper
nicht unbrauchbar gemacht, da die Vertiefung absolut gesehen sehr klein, nämlich
geringfügig tiefer als die Schichtdicke ist. Bei Korrosionsschutzschichten oder
bei elektrischen Isolierschichten, bei denen es auf absolute Geschlossenheit der
Schicht ankommt, kann in den meisten Fällen durch einen nachträglich aufgebrachten
Tupfer des Beschichtungsstoffs die Prüfstelle wieder ausgebessert und der Gegenstand
wieder brauchbar gemacht werden.
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Wenn auch die physikalischen Eigenschaften im Hinblick auf die bisher
bekannten zerstörungsfreien Schichtdickenmeßverfahren in bestimmten Fällen einander
zu ähnlich waren, um Meßergebnisse zeitigen zu können, so sind die optischen Eigenschaften
der Schichten und des Grundmaterials, nämlich die Farbe, die Helligkeit oder das
Reflexionsverhalten im Regelfall so verschieden, um durch geeignete Beleuchtung
nach Helligkeit, Farbe oder Auffallrichtung die Grenze der durch das Werkzeug schräg
angeschnittenen Schicht für das Auge erkennbar zu machen. Ähnlich wie die Eindrücke
von Prüfkörpern bei der Härteprüfung kann unter einem Meßmikroskop aus der Erscheinungsbreite
der Schnittbreite der Schicht unter Beachtung der Betrachtungs-und der Schneidengeometrie
auf die Schichtdicke geschlossen werden. Da diese Erscheinungsbreite mit Hilfe handelsüblicher
optischer Instrumente recht genau ermittelt werden kann, da zudem die Werkzeuggeometrie
auch mit großer Zuverlässigkeit und Genauigkeit bestimmt werden kann, ist eine recht
exakte Ermittlung der Schichtdicke möglich. An instrumentellen Einrichtungen zur
Ausübung dieses genauen, rasch und so gut wie zerstörungsfrei auszuführenden Verfahrens
ist lediglich das Ritzwerkzeug und ein vergleichsweise billiges und in jedem Meßlabor
ohnehin vorhandenes Meßmikroskop erforderlich.
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Das erfindungsgemäße Schichtdicken-Meßschnittverfahren kann universell
angewandt werden und ist auf keine bestimmten Materialien oder Schichtstärken oder
-härten beschränkt. Als Werkzeug kann ein geschliffener Diamant verwendet werden,
der be-
kanntlich härter als alle anderen Werkstoffe ist. Das Verfahren kann beispielsweise
zur Bestimmung der Dicke von galvanischen Überzügen auf Metall oder auf Kunststoff,
von Vergoldungen an technischen oder an Schmuckgegenständen oder von Metallbeschichtungen
auf Gleitlagerschalen dienen. Es läßt sich mittels ein und desselben Meßschnitts
nicht nur die Schichtdicke im Neuzustand des zu prüfenden Körpers, sondern auch
nach bestimmten Gebrauchsintervallen ermitteln. Es kann also an Hand eines Meßschnitts
immer wieder die Dicke einer dem Verschleiß unterliegenden Beschichtung ermittelt
und so an Hand eines ganz bestimmten individuellen Prüfstücks das Verschleißverhalten
eines Beschichtungsstoffs oder einer Konstruktion ermittelt werden. Der die Schicht
schräg anschneidende V-förmige Meßschnitt kann symmetrisch oder asymmetrisch sein.
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Die symmetrische Schnittausbildung hat den Vorteil, daß mit einem
Schnittvorgang zwei gleiche schräge Schichtanschnitte erzielt werden, die beide
vermessen und gemittelt werden können, wodurch das Meßergebnis genauer und zuverlässiger
wird. Je flacher der Anschnitt ist, um so größer ist die Erscheinungsbreite der
Schichtdickenschnittfläche. Um eine Rückermittlung von der Schnittbreite auf die
Schichtdicke bei senkrechter Betrachtung zu erleichtern, ist es vorteilhaft, wenn
die Neigung der Werkzeugschneide zu einer auf der Schichtoberfläche stehenden Lotlinie
so gewählt ist, daß der Tangens des Winkels zwischen diesen Linien ganzzahlig, vorzugsweise
vier oder fünf ist. Bei einer Neigung von etwa 78,90 erscheint die Schnittbreite
fünfmal breiter als die Schichtdicke und bei symmetrischem Meßschnitt entspricht
die gesamte Schnittbreite beiderseits des Meßschnitts dem Zehnfachen der Schichtdicke.
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In Ausgestaltung der Erfindung wird eine bei der Ausübung des Schichtdicken-Meßschnittverfahrens
erforderliche Vorrichtung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in
einem U-förmigen oder glockenförmigen, auf der Unterseite offenen und mit in einer
Ebene (Kufenebene) angeordneten Kufen versehenen Körper Gleitflächen zur Führung
eines im Abstand zur Ebene der Kufen einstellbaren Werkzeugträgers vorgesehen sind
und daß ferner Mittel zur feinfühligen Verschiebung des Werkzeugträgers in der Führung
vorgesehen sind.
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Es versteht sich, daß die Vorrichtung in ihrer Größe der Größe des
zu untersuchenden Körpers angepaßt sein muß. Die Ritzvorrichtung ist so ausgestaltet,
daß sie zum Ritzen auf den Prüfling aufgesetzt oder daß der Prüfling auf die Vorrichtung
aufgelegt werden kann. Die Mittel zur feinfühligen Einstellung des Werkzeugträgers
in bezug auf die Kufenebene bestehen in einer drehbar aber axial spielfrei mit dem
Werkzeugträger verbundenen Verstellschraube. Die Werkzeugspitze muß so tief eingestellt
werden, daß die zu messende Schicht durch den Meßschnitt durchdrungen wird. Die
Tiefe des Meßschnitts ist im übrigen auf das Meßergebnis ohne Einfluß. Die Einstellbarkeit
des Werkzeugs dient also lediglich einer Anpassung an die Schichtdicke; es soll
möglichst wenig Schichtmaterial durch den Meßschnitt entfernt werden. Auch ist bei
einer Wölbung der zu messenden Oberfläche eine Tiefeneinstellung des Werkzeugs erforderlich.
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Ein linienförmiger Meßschnitt wird durch relatives Verschieben der
Meßschnittvorrichtung gegenüber dem Prüfling parallel zu den Kufen bewirkt. Um
dies
zu erleichtern, weisen die Kufen Mittel zur Reibungsverminderung auf, z. B. bestehen
sie aus reibungsarmem Kunststoff, z.B. Nylon oder weisen eine reibungsarme Beschichtung,
z. B. Polytetrafluoräthylen, auf. Auch können in den Kufen kleine Röllchen, z. B.
kleine Kugellager, eingelassen sein.
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Damit die Meßschnittvorrichtung auf zylindrisch gewölbten Flächen
konvexer und konkaver Krümmung standsicher aufgesetzt werden kann, ist es vorteilhaft,
wenn die Kufen gleichlang ausgebildet und parallel zueinander und symmetrisch zur
Werkzeugspitze angeordnet sind.
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Zur Erleichterung der Schnittkräfte oder zur Erzielung eines punktförmigen
Meßschnitts ist es empfehlenswert, das Werkzeug drehbar und von außen antreibbar
in dem Werkzeugträger zu lagern. Damit jedoch eine definierte Werkzeugstellung beim
Hobelmeßschnitt erhalten bleibt, ist es vorteilhaft, wenn das Werkzeug in seiner
Umfangslage arretierbar im Werkzeugträger angeordnet ist. Um die Meßschnittvorrichtung
beim Arbeiten mit umlaufendem Schnittwerkzeug nicht durch manuelle Antriebsbewegungen
zu erschüttern, um sie andererseits von schweren motorischen Antriebsquellen zu
befreien, ist es zweckmäßig, das Werkzeug entweder über ein manuell anwerfbares
Schwungrad (Schwungspeicher) oder von einem federelastischen, aufladbaren Kraftspeicher
anzutreiben. Beide Antriebsarten können auch miteinander kombiniert sein.
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Um das Ansetzen der Meßschnittvorrichtung an bestimmten Punkten des
Prüflings zu erleichtern, kann an dem U- oder glockenförmigen Körper ein parallel
zur Kufenebene im Abstand seitlich zur Werkzeugspitze verstellbarer, senkrecht zur
Kufenebene und über sie hinweg sich erstreckender Anschlagkörpervorgesehen sein.
Dieser ragt bis unter die Ebene der Kufen hinunter. Um andererseits die Meßschnittvorrichtung
behinderungsfrei auch auf größeren Prüflingen aufsetzen zu können, ist es zweckmäßig,
wenn der Anschlagkörper aus der Kufenebene heraus schwenkbar angeordnet ist.
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Die Erfindung ist an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels im folgenden näher erläutert; es zeigt Fig. 1 den Querschnitt
durch einen V-förmigen, stumpfwinkligen, die Schichtdecke erkennbar machenden Meßschnitt
in vergrößerter Darstellung, F i g. 2 den Meßschnitt nach F i g. 1 in der Draufsicht,
und F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Meßschnittvorrichtung.
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Bei dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausschnitt eines Prüflings
ist mit 1 das beschichtete Grundmaterial und mit 2 die darauf festhaftend aufgebrachte
Schicht mit der zu ermittelnden Stärke t bezeichnet. An dem Prüfling ist durch einen
sauber und scharf geschliffenen Diamanten mit bekannter Schneidengeometrie eine
stumpfwinklige V-förmige, die Schicht 2 bis auf das Grundmaterial 1 durchdringende
Nut 3 angebracht. Im gezeigten Beispiel ist die Nut 3 symmetrisch mit unter dem
gleichen Winkel a zur Nutsymmetrieebene geneigten Flanken 4 ausgebildet. Der Winkel*
ist möglichst groß gewählt, damit die in der Daufsicht der F i g. 2 erkennbare Erscheinungsbreite
der Schnittfläche s' bzw.
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s" der Schicht 2 möglichst groß wird. Diese Maße können unter dem
Meßmikroskop zuverlässig genau ermittelt werden und aus deren Breite, unter der
Voraussetzung, daß die Betrachtungsrichtung parallel zur Symmetrieebene der Nut
erfolgt, nach der Beziehung t= V2tan(9O-)(s'+s") die Schichtdicke t ermittelt werden.
Um diese durch eine Tabelle oder ein Diagramm zu erleichternde Ermittlung noch weiter
zu vereinfachen, kann der Winkel a so gewählt werden, daß der Kehrwert von tan (9()
- a) ganzzahlig, vorzugsweise fünf wird, so daß die Beziehung dann lautet: t = I/oo
(s' + S") Natürlich kann in dem Meßmikroskop auch eine entsprechend geeichte, die
oben angegebene Funktion implizierende Skala angeordnet sein, die es erlaubt, ohne
Umrechnung direkt an der Skala die Schichtdicke in stm abzulesen.
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In den F i g. 1 und 2 ist ein linienförmiger Meßschnitt dargestellt.
Zwar ist die Verletzung der Schicht 2 durch einen solchen Schnitt etwas größer als
durch einen punkt- oder trichterförmigen Meßschnitt, jedoch erlaubt der linienförmige
Meßschnitt bei spröden Beschichtungswerkstoffen oder Grundwerkstoffen oder bei rauhen
Oberflächen, die am Meßschnittrand bzw. an der Schichtgrenze einen unregelmäßig
gezackten Schnittrand ergeben, durch Einfahren eines Meßfadens eines im Meßmikroskop
eingebauten Fadenkreuzes an die Schnittränder bzw.
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Schichtgrenzen eine gemittelte und durchaus genaue Lage der Schnittränder
bzw. Schnittgrenzen zu ermitteln.
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Die in Fig. 3 dargestellte Meßschnittvorrichtung, die auf eine beschichtete
(Schicht 1') Blechtafel 5 aufgesetzt ist, weist einen U-förmigen, nach unten offenen
und in beschichtete (Gleitschicht 6) Kufen 7 auslauoffenen und in beschichtete (Gleitschicht
6) auslaufenden Rahmenkörper 8 auf, der an der Innenseite der Schenkel des U-Rahmens
Prismenführungen 9 für einen im Rahmen gleitbar angeordneten Werkzeugträger 10 hat.
Der Werkzeugträger 10 ist mittels der Rändelmutter 11, der Schraube 12 und der Spreizfeder
13 im Abstand zu der durch die Kufen 7 aufgespannten Ebene feinfühlig und spielfrei
einstellbar. Im Werkzeugträger 10 seinerseits ist das in dem rotationssymmetrischen
und um eine Querachse im Werkzeugträger drehbar gelagerten Körper 14 eingebettete
Werkzeug 15 angeordnet, welches von dem Handrädchen 16 aus über die Stirnradverzahnung
17/18 antreibbar ist. Der das Werkzeug 15 tragende Körper 14 kann mittels einer
nicht dargestellten Klemmschraube in bestimmten, durch das Handrad 16 einstellbaren
Umfangslagen festgestellt werden.
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Die Meßschnittvorrichtung weist ferner einen Seitenanschlag 19 auf,
an dem eine in dem U-förmigen Rahmenkörper 8 senkrecht zur Hochachse querbewegliche
und durch Schrauben 20 festklemmbare Führungssäule 21 angeordnet ist. Dieser Anschlag
ermöglicht es, an unterschiedlichen Längsstellen aber an gleicher Breitenposition
eines Prüflings Meßschnitte anzubringen. Dank der Rundführung kann der Anschlag
bedarfsweise auch hochgeschwenkt und so die Meßschnittvorrichtung an beliebiger
Stelle des Prüflings angesetzt werden.