DE2424106C3 - Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes von Geräteteilen, deren Oberflächen unter gegenseitigem Kontakt eine Verschleißbeanspruchung erfahren, insbesondere von Bandführungsorgan und Magnetband in magnetischen Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabeeinrichtungen, und Bandführungsorgan, insbesondere Magnetkopf, zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes von Geräteteilen, deren Oberflächen durch Relativbewegung zueinander unter gegenseitigem Kontakt eine Verschleißbeanspruchung erfahren, insbesondere von Bandführungsorgan und Magnetband, bei dem man zumindest eine der Kontaktoberflächen mit wenigstens einer Vertiefung versieht und vor und nach einer Verschleißbeanspruchung die Tiefe der Vertiefung — und somit den Verschleiß — bestimmt, sowie ein Bandführungsorgan, insbesondere einen -Magnetköpf, zur Durchführung des!Verfahrens.:

Beim Betrieb von magnetischen Aufzeichnungsträgern werden aufgrund der Relativbewegung gegenüber Bindführurigsörgänen, zu denen z.B. Magnetköpfe, Führungsstege und -zapfen gehören, diese auf Verschleiß beansprucht.

Die VerschleißbeanspruGhUng der Geräteteile Wird durch die Abrasivität der Magnetschichten erzeugt. Sie ist besonders kritisch bei den Magnetköpfen, da sie sich hier direkt auf die Aufnahme- und Wiedergabequalität der Aufzeichnung auswirken kann. Das Ausmaß der auftretenden Verschleißerscheinungen ist von den jeweiligen Betriebsbedingungen, wie z. B. Bancfzug, Relativgeschwindigkeit, den Eigenschaften des Kopfmaterials und der Zusammensetzung bzw. Hsrstellungsweise der Magnetschich; abhängig.
Angestrebt werden Kombinationen mit minimaler

ίο Verschleißbeanspruchung durch Verwendung von Bandführungsorganen mit hoher Verschleißfestigkeit und Aufzeichnungsträgern mit wenig abrasiven Magnetschichten.

Für die meßtechnische Erfassung dieser Phänomene standen bisher hauptsächlich folgende, den Stand der Technik repräsentierende Verfahren zur Verfügung.

In einer bekannten in der Zeitschrift »Inte-national Journal of Applied Radiation and Isotopes«, Jahrgang 1968. Band 19, Seite 101 -121 veröffentlichten Methode wird die Abrasivität von Magnetbändern mit Hilfe von radioaktiven Magnetkopfattrappen gemessen.

Dieses Verfahren hat hauptsächlich folgende Nachteile: Die Verwendung von radioaktivem Material setzt einen nicht unerheblichen technischen Aufwand voraus, der die Anwendbarkeit der Methode erheblich einschränkt. Bei der K'essung wird davon ausgegangen, daß das abgetragene Kopfmaterial am Band hängenbleibt. Dies kann nicht immer vorausgesetzt werden. Weiterhin können aus bestrahlungstechnischen Gründen keine üblichen Magnetköpfe für die Messung eingesetzt werden. Es werden vielmehr Kopfattrappen aus ausgewählten Materialien verwendet, die nur in ihrem Härteverhalten den für die Magnetköpfe gebräuchlichen Materialien entsprechen.

Dies führt jedoch in vielen Fällen zu Interpretationsschwierigkeiten der Ergebnisse, da Materialien gleicher Härte nicht notwendigerweise gleiches Verschleißverhalten aufweisen. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird außerdem ein Speziallaulwerk benotigt

In einem weiteren, bekannten Verfahren (Zeitschrift »!FEE Transactions on Magnetics«. Band MAG-2, Nr. 1, Seite 6—13, 1966) werden zur Bestimmung der Abrasivität von Magnetbändern Magnetkopfattrappen in der Form v< zylindrischen Stiften und dünnen Blechen benutzt, a*e auf einem Teil des Umfangs bzw. auf der Stirnseite von Magnetband beansprucht werden. Bei den Stiften wird der Verschleiß über den Masseverlust, bei den Blechen über die Längenänderung gemessen.

Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist die besonders bei den Blechen mangelhafte Repräsentation der wirklichen Kopfgeometrie. Bei den Stiften wird außerdem die Messung durch die bei der Bestimmung kleiner Masseverluste auftretenden Fehler verfälscht.

Dies führt bei der Prüfung von Bändern mit geringer Abrasivität zu langen Versuchszeiten bzw. großen Bandlängen. Für die Messung wird ebenfalls ein Spe/iallaufwerk benötigt.

In einem weiteren bekannten Verfahren werden Alu-Magnet-Kopfattrappen in der Form von üblichen Mägnetköpfen mit metallischen Filmschichten bedampft.

Bei dieser Methode kommt es beim Bewegungskontakt zwischen der Filmschicht Und der äbräsiven Magnetschicht zu einer stellenweisen Reduktion der Schichtdicke des Filmes, die über die damit verbundene Erhöhung des elektrischen Widerstandes meßtechhisch erfaßt wird, Die Nachteile dieser Methode liegen in dem

zur Herstellung der Metallschichten erforderlichen großen technischen Aufwand und in der Schwierigkeit, daß ein Teil der üblichen Kopfmaterialien gegenwärtig nicht in Form von solchen Schichten aufgebracht werden kann.

In der deutschen Patentschrift 5 22 213 ist vorgeschlagen, zur Verschleißbestimmung an von einer Reibung ausgesetzten Maschinenteilen strich- oder punittförmige Vertiefungen mit Hilfe einer Spitze in die zu untersuchende Fläche einzuritzen und die Betriebsstundenzabl sowie die Art zu beobachten, in der die Vertiefungen verschwinden. Daraus sollen Rückschlüsse gezogen werden, wie gi'oß der Verschleiß ist. Eine genaue, meßtechnische Erfassung des Verschleißes ist nicht vorgesehen-

Das Hauptproblem bei Verschleißmessungen unter Anwendungsbedingungen liegt, wie die beschriebenen bekannten Methoden zeigen, in der quantitativen Erfassung des Verschleißes am Magnetkopf. Bei Audio-, Video- und CQmⁿuterbsnds^vst-imen erfolgt die Mcslung bekannterweise so, daß die Bandkonta'-.izone an der Kopfoberfläche vor und nach der Verschleißbeanspruchung mit Hilfe von mechanischen oder optischen Tastschnittgeräten ausgemessen wird.

Dabei treten Schwierigkeiten auf durch den zu jeder Messung notwendigen Ausbau des auszumessenden Kopfsystems und die damit verbundenen z. T. aufwendigen Justagearbeiten beim Wiedereinbau. Weiterhin sind »n Tastschnittgeräten präzise Aufspanneinrichtungen erforderlich, um zu gewährleisten, daß die Abtastung jo des Kopfprofils bei wiederholten Messungen immer an derselben Stelle erfolgt. In Fällen, wenn die Oberfläche ungleichmäßig abgetragen .Λ, müssen mehrere Abtastungen verteilt über die Kontaktzone vorgenommen werden, so daß sehr lange Meßzeiten notwendig sind, um ausreichend jnjte Ergebnisse zu erhalten.

Zur Erreichung der Anforderungen an die Meßgenauigkeit können die Versuchs- und Meßzeiten erhöht werden. Na» 'iteilig dabei ist aber eine Verringerung der Kopflebensdauer, die besonders bei Köpfen für Video- oder Computerbandsysteme zu beträchtlichen finanziellen Aufwendungen führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe lugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem der Verschleiß von Geräteteilen, die du.ch Reibung einer Verschleißbeanspruchung ausgesetzt sind, mit Hilfe von Vertiefungen, die in die dem Verschleiß ausgesetzten Oberflächen eingebracht werden, meßtechnisch erfaßt werden kann, sowie im btr.onderen ein Bandführungsorgan, insbesondere einen Magnetkopf, anzugeben, zur Durchfuhr; ng dieses Verfahrens.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede ein/eine der Vertiefungen eine geometrische Form derart besitzt, daß für jede beliebige Tiefe der Vertiefung ein definiertes, in jeder Tiefe gleichbleibendes Verhältnis zwischen der Tiefe und der jeweils lugehörigen Grundfläche besteht, daß man vor einer Verschleißbeanspruchung die Größe der genannten Grundfläche der Vertiefung sowie nach der Verschleißbeanspruchung die Größe der aktuellen Grundfläche der durch die Verschleißbeanspruchung verkleinerten Vertiefung vorzugsweise optisch meßtechnisch erfaßt, und daß man die Verschleißtiefe aus der Differenz der den genannte;. Grundflächen zugeordneten Tiefen 6^r; bestimmt.

Dazu werden am unbeanspruchten Kopf an den gewünschten Meßstellen Vertiefungen mit Hilfe einer geometrisch genau definierten, formstabiien, vorzugsweise aus Diamant gefertigten Prüfspitze angebracht

Die Tiefe der Vertiefungen wird so gewählt, daß die Tiefe der Vertiefungen größer ist als der im Versuchszeitraum zu erwartende Materialabtrag. Dadurch bleiben auf der durch die VerschleiQbeanspruchung neu geschaffenen Oberfläche Vertiefungen zurück, so daß aus der Tiefendifferenz die Höhe der abgetragenen Schicht abgelesen werden kann.

Das Verfahren ermöglicht vorteilhaft die Bestimmung der Verschleißwerte von Magnetköpfen und anderen Geräteteilen an allen üblichen Systemen, mit denen magnetische Aufzeichnungsträger in Kontakt betrieben werden. Die Versuche und Messungen können unter den für diese Geräte üblichen Betriebsbedingungen durchgeführt werden. Zur Veränderung der Versuchsdauer kann es auch zweckmäßig sein, durch Parametervariation, wie z. B. Erhöhung des Kontaktdruckes, Verringerung der Relativge<■ hwindigkeit, eine Z^itr^ffun¹⁷ od^r Zeitdehnung de¹" M^Sv^r^u^he V0¹*⁷¹¹-nehmen.

Det am Magnetkopf oder anderen Geräteteilen auftretende Verschleiß wird über die aktuelle Verschleißt'efe, d. h. die Differenz aus der vor dem Versuch vorhandenen Tiefe der Vertiefung und der Tiefe der Vertiefung nach dem Versuch gemessen. Die Messung kann gleichzeitig an mehreren über die gesamte von der Magnetschieb· eanspruchte Fläche verteilten Punkten vorgenommen, werden. Der in der oder den Vertiefungen angesammelte Abrieb wird meßtechnisch nicht benutzt, da die Menge des Abriebs bei mehreren Versuchen nicht reproduzierbar gleich groß ist.

Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme besteht darin, daß man Vertiefungen von Kegel- oder Pyramidenform benutzt.

Die Tiefe der Vertiefungen wird indirekt über ihre in der jeweiligen Materialoberfläche liegende Grundfläche bestimmt. Als Prüfspitzen können die in der Materialprüfung üblichen kegel- oder pyramidenförmiger Probekörper verwendet werden. Bei kegelförmigen Spitzen sowie bei Pyramiden mit quadratischer und rhombischer Grundfläche besteht ein besonders einfacher geometrischer Zusammenhang zwischen den Abmessungen der Grundfläche und der Cindringliefe, so daß Spitzen dieser Art vorzugsweise bei den erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können.

Prfindungsgemäß ist ein Bandführungsorgan in magnetischen Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabeeinrichtungen zur Bewerkstelligung der obenstehenden Verfahrensmaßnahnien, mit zumindest einer in der Kontaktoberfläche angebrachten Vertiefung mit vorzugsweise Kegel- oder Pyramidenform ausgebildet, in weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des Bandführungsorgans kann die größte Abmessung der in der Kontaktoberfläche liegenden Grundfläche der Vertiefung etwa zwischen ΙΟμηι und 100 μπι betragen. Zweckmäßig können auch mehrere Vertiefungen in der Kontaktoberflächf angeordnet sein.

Die Ausbildung solcher Bandführungsorgane kann somit einfach bewerkstelligt werden, ohne daß sie für einen normalen Betrieb mit einem Magnetband unbrauchbar werden.

Zum Vermessen der Vertiefungen kann ein übliches Auflichtmikroskop mit geeignet großer Auflösung Verwendung finden. Je nacl \rt der jeweils verwendeten Prüfspitze und dem Aufbau der zu vermessenden Bandführungsorgane, beispielsweise Magnetkopfe, können Verschleißtiefen ab etwa 0,05 μπι reproduzierbar

gemessen werden.

Das angegebene Meßverfahren und die mit Vertiefungen Versehenen Bandführungsorgane sind nicht nur auf bestimmte Werkstoffe anwendbar, vorausgesetzt, daß diese ausreichend homogene Testkörper sind. Die Bandführungsorgane können aus allen für diese Verwendung einsetzbaren Metallen, Metalloxiden, Metallegierungen, Kunststoffmaterialien mit oder ohne Oxid- oder Lackfilmen bestehen. Die Magnetbänder können ebenfalls aus bekannten Komponenten Metalloder Metalloxiden und geeigneten bekannten Bindemitteln und gegebenenfalls Gleitmitteln und bekannten Trägerfolien bestehen.

Ein Einsatz der Meßmethoden für die Prüfung von Magnetbändern auf Basis von Chromdioxidschichten hat sich als vorteilhaft erwiesen.

In der Zeichnung sind in Meßkurven Verschleißfestigkeitswerte von gegeneinander bewegten Kunststoffteilen, von Ά-Zoli-Tonbändern, die über einen Tonkopf mit Mu-Metall-Polschuhen bewegt werden, sowie verwendbare Vertiefungsformen und einen Magnetkopf mit mehreren Meßvertiefungen dargestellt.

In F i g. 1 ist die Verschleißtiefe Tv von Kunststoff teilen unterschiedlicher Verschleißfestigkeit als Funktion der Betriebszeit Tb aufgetragen. Im Ergebnis ist Kunststoff A gegenüber Kunststoff B (A und B sind verschiedene Polymerkunststoffe) weniger verschleißfest.

F i g. 2 zeigt den Kurvenverlauf der Verschleißtiefe Tv an einem Mu-Metall-Tonkopf, der mit verschiedenartigen Magnetbändern A', B', C'betrieben ist, über der Betriebszeit Tb-

Der verwendete Tonkopf ist beispielsweise in Fig.3 dargestellt.

Aus Fig.2 geht hervor, daß Bandtyp C" weitaus weniger Verschleiß am Kopf verursacht hat als Bandtyp B oder gar Typ A,
Die erfindungsgemäße Meßmethode erlaubt also

einerseits die Auswahl verschleißfester ßandteile bei einer vorgegebenen Bändbeanspfuchüng oder ander efseits die Beurteilung von Bändern und/oder von deren Magnetschichteh. Natürlich können beide Meßresultate

gleichzeitig erfaßt werden.
Fig.3 zeigt eine vorteilhafte Anordnung mehrerer

Z. B. rhombönförmiger Vertiefungen 6 am Kopfspiegel 7 eines Doppel-Tonkopfes 8. Die Vertiefungen 6 sind

etwa symmetrisch zu den Kopfspalten 9 und 10 angeordnet. Die Polspiegel sind mit 11 und 12 bezeichnet. Mit den Strichlinien 13 und 14 ist die Kontaktoberfläche 15 des Kopfes 8 oben und unten begrenzt angedeutet.

In Fig.4 und 5 sind Vertiefungsformen mit den

Grundflächen Fi (Fi-F₃), den Tiefen T\ - T₃ sowie an einem weiteren Beispiel eine Verschleißtiefe Tv (Differenz der Tiefe Tvor dem Versuch und der Tiefe T, nach dem Versuch bei einer Grundfläche Fi und einer aktuellen Grundfläche Fn) im Querschnitt dargestellt.

Bis zur Fläche Fu ist in Fig.5 das Kopfmaterial abgetragen, z. B. abgeschliffen.

Eine optische Messung der Fläche Fu der Vertiefung 6a nach dem Versuch ergibt bei Bekanntsein der Fläche Fi der Vertiefung 6 vor dem Versuch somit sofort die

Verschleißtiefe Tv.
Es können auch andersartige Vertiefungsformen

verwendet werden, wenn nur die Grundfläche F/ relativ einfach ermittelbar ist und zwischen den Flächen F/ und

F//eine eindeutige ßrithmetische Beziehung besteht.
Mit der beschriebenen Meß- und Prüfmethode, die

sich hervorragend für Versuchsreihen eignet, wurden auch im Vergleich zu den bekannten Meßmethoden sehr genaue und besonders qualitativ richtige Meßergebnisse erzielt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes von Geräteteilen, deren Oberflächen durch Relativbewegung zueinander unter gegenseitigem Kontakt eine Verschleißbeanspruchiing erfahren, insbesondere von Bandführungsorgan und Magnetband, bei dem man zumindest eine der Kontaktoberflächen mit wenigstens einer Vertiefung versieht und vor und nach einer Verschleißbeanspruchung die Tiefe der Vertiefung — und somit den Verschleiß — bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne der Vertiefungen (6) eine geometrische Form derart besitzt, daß für jede beliebige Tiefe (T, T₃) der Vertiefung ein definiertes, in jeder Tiefe (T, T_a) gleichbleibendes Verhältnis zwischen der Tiefe (T, T₃) und der jeweils zugehörigen Grundfläche (Fi, Fu) besteh}, daß man vor einer Verschleißbeanspruchung die Größe der genannten Grundfläche /FJder Vertiefung (6) sowie nach der Verschleißbeanspruchung die Größe der aktuellen Grundfläche (Fn) der durch die Verschleißbeanspruchung verkleinerten Vertiefung (ßa) vorzugsweise optisch me3technisch erfaßt, und daß man die Verschleißtiefe (Tv) aus der Differenz der den genannten Grundflächen (F_h Fu) zugeordneten Tiefen (T. T₁) bestimmt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Vertiefungen von Kegel- oder Pyramidenfonp benutzt (F ig. 4).

3. Bandführungsorgan in magnetischen Aufzeichnungs- und/oder Wieuergabuinrichtungen, insbesondere Magnetkopf, zui Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kontaktoberfläche (15) zumindest eine Vertiefung (6) mit vorzugsweise Kegel- oder Pyramidenform angebracht ist.

4. Bandführungsorgan nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Abmessung der in der Kontaktoberfläche (15) liegenden Grundfläche (Fi) der Vertiefung (6) etwa zwischen !Ομπι und 100 μηι beträgt.

5. Magnetkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kontaktoberfläche (15) mehrere Vertiefungen (6) symmetrisch zum Kopfspalt (9 bzw. 10) angeordnet sind.