DE2605988A1 - Verfahren zur pruefung kugelgestrahlter werkstueck-oberflaechen - Google Patents

Verfahren zur pruefung kugelgestrahlter werkstueck-oberflaechen

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Description

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. JOACHIIVi K. ZENZ · DIPL.-ING. FRIEDRICH G. HELBER
43 ESSEN-BREDENEY ■ ALFREDSTRASSE 383 · TELEFON : (O 21 41) 47 26 TELEGRAMMADRESSE" EURCPATENTE ESSEN
MoliaTimpi rillTie Commerzbank Essen Kto 1516202
Aktenzeichen: weuanmexaung
Postscheckkonto Essen Nr 76
Named.Anm.: METAL IMPROVEMENT COMPANY
„ co Datum 13. Februar 1976
Mein Zeichen: M OO
METAL IMPROVEMENT COMPANY, INC., 1485 Teaneck Road, TEANECK, New Jersey, V.St.A.
Verfahren zur Prüfung kugelgestrahlter Werkstück-Oberflächen
Die Erfindung betrifft die Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke durch Kugelstrahlen, und insbesondere ein Verfahren zur Prüfung kugelgestrahlter Werkstück-Oberflächen zur Bestimmung des Grades der durch das Kugelstrahlen erzielten Verdichtung der Deckschicht.
Es ist bekannt, daß durch Beaufschlagung einer Oberfläche eines Metallteils mit Metall- oder Glaskügelchen oder -teilchen eine verdichtete Deckschicht in der metallischen Oberfläche erzielt wird, wodurch eine verbesserte Dauerfestigkeit und ein verbesserter Widerstand gegen Spannungskorros-ion des Werkstücks erzielt wird. Dieses Verfahren wird auch als "Kugelstrahlen11 bezeichnet. Auch zum Biegen metallischer Bauelemente in vor-bestimmte Konfigurationen, die mit anderen durchführbaren Verfahren nicht herstellbar sind, wird das Kugelstrahlen verwendet.
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Bei der Durchführlang einer Kugelstrahlbehandlung ist es schwierig, eine gleichmäßige Intensität des Strahlvorgangs und den gewünschten Grad der durch das Kugelstrahlen erzielten Verdichtung der Deckschicht auf den Teilen zu erhalten, insbesondere dann, wenn die Teile eine verwickelte Form haben. ¥enn das Kugelstrahlen im wesentlichen zur Verhinderung oder Verringerung von Spannungskorrosion durchgeführt wird, ist der Grad der Deckschicht-Verdichtung der durch Kugelstrahlen zu behandelnden Oberflächen von besonderer ¥ichtigkeit, um sicherzustellen, daß sich die verdichtete Deckschicht über die gesamte zu behandelnde Oberfläche erstreckt. Der Grad der Verdichtung wird üblicherweise in Almen-Einheiten mittels eines Almen-Teststreifens gemessen. Dieses Verfahren der Feststellung oder Messung der Intensität der durch die Kugelstrahlen erreichten Verdichtung ist vollständig beschrieben in dem Artikel von H.F.Moore mit dem Titel MShot Peening and The Fatigue of Metals11, und in der US-Patentschrift Nr.3 695 O91 vom 3·10ο1972 (Smith). Nachdem also ein praktizierbares Verfahren zur Messung des Grades der Kugelstrahlung besteht, verbleibt lediglich noch das Problem, daß die durch Kugelstrahlen zu behandelnde Oberfläche im erforderlichen Ausmaß bedeckt, d.h. ununterbrochen ist. Das Ausmaß der kugelgestrahlten Deckschicht ist Jedoch nicht nur beim Kugelstrahlen zur Verringerung der Spannungskorros-ion wichtig, sondern es ist auch in den Fällen wichtig, in denen das Kugelstrahlen zur Verbesserung der Dauerbeanspruchbarkeit und/oder der Verhinderung von Ermüdungsbrüchen dient. Dabei ist der Umfang der Deckschicht in kritischen Bereichen mit Spannungskonzentration von besonderer Wichtigkeit, um sicherzustellen, daß die verdichtete Deckschicht sich ohne Unterbrechung über die gesamte zu behandelnde Oberfläche erstreckt. Die gegenwärtig verwendeten Verfahren erfordern eine visuelle Inspektion
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unter wenigstens zehnfacher Vergrößerung, wodurch die Beurteilung des Ausmaßes der kugelgestrahlten Deckschicht dem "geübten Auge" und der Beurteilung eines Fachmanns überlassen bleibt. Das Problem wird noch dadurch verschärft, daß es extrem schwierig, wenn nicht zeitweilig unmöglich ist, große kugelgestrahlte Oberflächenbereiche visuell mit einem Vergrößerungsglas mit zehnfacher Vergrößerung visuell zu überprüfen, wie dies von einigen militärischen Vorschriften und den Flugzeugherstellern vorgeschrieben wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prüfung kugelgestrahlter Werkstück-Oberflächen zur Bestimmung des Grades und Umfange der durch das Kugelstrahlen erzielten Verdichtung der Deckschicht anzugeben, das einfach, preiswert und genau ist und dabei auch bei kompliziert geformten Werkstücken anwendbar ist, wobei es möglich sein soll, ohne auf die Beurteilung eines Fachmanns auf dem Gebiet des Kugelstrahlens angewiesen zu sein, die Gleichmäßigkeit und Ununterbrochenheit der Deckschicht zu prüfen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt werden*
Die Oberfläche einerKontrollprobe oder eines Streifens aus dem gleichen Material wie das durch Kugelstrahlen zu behandelnde Werkstück oder der Bauteil wird mit einem identifizierbaren Material beschichtet. Die Oberfläche des kugelzustrahlenden Werkstücks oder Teils wird ebenfalls mit dem zur Beschichtung der Kontrollprobe verwendeten identifizierbaren Material beschichtet.
Die mit der Schicht aus identifizierbarem Material versehene Oberfläche der Kontrollprobe wird dann solange
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kugelgestrahlt, bis der gewünschte Grad der Verdichtung der Deckschicht erreicht wird, was durch eine Veränderung des Aussehens der Schicht auf der kuge4.gestrah.lten Oberfläche angezeigt wird. Diese Kontrollprobe kann nach dem Kugelstrahlen unter Vergrößerung visuell geprüft werden, um eine noch genauere Bestimmung des Ausmaßes der Deckschicht und derenAussehen zu erhalten.
Die Oberflächen des zu bearbeitenden Werkstücks werden dann im Verfahren so kugelgestrahlt, daß Teile des identifizierbaren Schichtmaterials entfernt werden. Danach werden die kugelgestrahlten Oberflächen des ¥erkstücks mit der kugelgestrahlten Oberfläche der Kontrollprobe verglichen. ¥enn die verglichenen Oberflächen des Werkstücks bzw. der Kontrollprobe das gleiche Aussehen haben, ist dies ein Anzeichen dafür, daß die kugelgestrahlte Oberfläche des Werkstücks den erwünschten Grad der Verdichtung der Deckschicht aufweist. Wenn das Aussehen der miteinander verglichenen Oberflächen Jedoch nicht gleich ist, wird das Werkstück weiter kugelgestrahlt, bis die zu vergleichenden Oberflächen im wesentlichen ein identisches Aussehen haben» Das identifizierbare Material kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung eine eine Farbe enthaltende Flüssigkeit sein. Als Farbe wird vorzugsweise eine lichtabhängig lumineszierende Eigenschaften aufweisende Farbe verwendet. Die Farbe kann beispielsweise in einem flüssigen Trägermaterial lösbar und bei Belichtung mit ultra-violettem Licht relativ unstabil sein. In den US-Patentschriften 2 259 ^00 vom 1^.10. 191H (Switzer) und 2 77^ 886 vom 18.12.1956 (Forest et al) ist eine Vielzahl von geeigneten verwendbaren Materialien für Werkstoffe unterschiedlichster Eigenschaften beschrieben« Eine fluoreszierende Standard-Färbeflüssigkeit Nr. 220 hat sich für harte metallische Teile, beispielsweise Stahl mit einer Härte von 260-280 KSI als geeignet erwiesen. Die die Farbe enthaltende Flüssigkeit kann durch Auftragen mit dem Pinsel oder durch Sprühen auf das Werk-
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stück und die Kontrollprobe aufgebracht werden, oder die Teile werden in ein Bad aus einer solchen Flüssigkeit getaucht. Nach der Aufbringung lässt man die Flüssigkeit vor dem Kugelstrahlen trocknen oder aushärten.
In einem speziellen Ausführungsbexspiel der Erfindung werden die Oberflächen des kugelzustrahlenden ¥erkstücks und einer Kontrollprobe oder eines Streifens mit einer eine fluoreszierende Farbe enthaltenden Flüssigkeit beschichtet. Die Kontrollprobe wird in solchem Maße kugelgestrahlt, wie dies bei einer .entsprechenden Behandlung der Werkstück-Oberfläche zu optimaler Dauerbelastbarkeit bzw. Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosion führt. Danach kann die kugelgestrahlte Oberfläche der Kontrollprobe von einem Fachmann bezüglich des Ausmaßes oder Grades der Deckschicht unter ultra-violettem Licht geprüft werden, wobei, wenn erforderlich, die Prüfung unter zehnfacher Vergrößerung erfolgen kann. Die Werkstück-Oberflächen werden dann kugelgestrahlt und unter Bestrahlung mit ultra-violettem Licht verglichen, um zu bestimmen, ob die Fluoreszenzstrahlung der kugelgestrahlten Oberflächen der der Kontrollprobe entspricht. Dieser letzterwähnte Vergleich muß ersichtlich nicht von einem Fachmann für Kugelstrahlen ausgeführt werden. Wenn die Fluoreszenzstrahlung des Werkstücks der der Kontrollprobe nicht entspricht, wird die Kugelstrahlbehandlung weiter durchgeführt, bis ein Vergleich zeigt, daß der Grad oder Umfang der Deckschicht auf dem Werkstück der Kontrollprobe entspricht.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, die sechs Kontrollproben mit unterschiedlichen Graden der Verdichtung der kugelgestrahlten Deckschicht unter ultra-violettem Licht zeigt, beschrieben.
Das erfindunggemäße Verfahren der Prüfung kugelgestrahlter Oberflächen eines Teils oder Werkstücks dient zur Bestimmung
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des Grades oder Ausmaßes der Verdichtung der kugelgestrahlten Deckschicht, um sicherzustellen, daß der Teil eine optimale Dauerbelastbarkeit oder einen möglichst weitgehenden Widerstand gegen Spannungskorrosion erhält, wie im folgenden noch beschrieben wirdo
Zunächst wird eine Kontrollprobe oder ein Streifen, wie er in der Zeichnung gezeigt ist, mit einem Material beschichtet, das vorzugsweise aus einem flüssigen Träger, beispielsweise einer Verbindung auf Harzbasis besteht, der hinreichend rasch trocknet und einen fluoreszierenden Farbstoff enthält, der bei Bestrahlung mit ultra-violettem Licht relativ unstabil ist. Selbstverständlich kann auch Jedes andere geeignete Material verwendet werden, das unter beliebigem Licht unterschiedliche Farbansammlungen der kugelgestrahlten Oberfläche sichtbar macht. Eine Vielzahl · anderer Beschichtungsmaterialien kann in Verbindung mit Werkstücken aus unterschiedlichen Metallen oder Zusammensetzungen verwendbar sein.
Eine große Zahl in Frage kommender Beschichtungsmaterialien sind in den US-Patentschriften Nr0 2 259 ^0O; Nr. 2 774 886; Nr. 3 108 187 und Nr. 3 675 OI5 beschrieben. Die Kontrollprobe wird aus dem gleichen Material ausgewählt, aus dem das kugelzustrahlende Werkstück oder der zu behandelnde Teil besteht, oder zumindest wird ein Material gewählt, das im wesentlichen die gleichen Eigenschaften, beispielsweise bezüglich der Härte und Porosität hat. Als für sehr harte metallische Werkstücke, beispielsweise Stahl mit einer Härte von 260f280 KSI, geeignetes Beschichtungsmaterial hat sich die fluoreszierende Standard-Färbeflüssigkeit Nr. 220 erwiesen.
Nach der Beschichtung der Kontrollprobe durch geeignete Mittel, beispielsweise durch Aufstreichen, Aufsprühen oder
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Eintauchen des Streifens in ein Bad aus Besdichtungsmaterial, lässt man die Kontrollprobe trocknen oder aushärten. Die "beschichtete Oberfläche wird dann untersucht, um sicherzustellen, daß die Schicht vollständig, d.h. ununterbrochen ist. Die Kontrollprobe wird dann kugelgestrahlt, wobei ein Teil des Beschichtungsmaterials entfernt wird. Die kugelgestrahlte Kontrollprobe wird periodisch von einem Fachmann auf dem Gebiet des Kugelstrahlens geprüft, um zu bestimmen, wann die Kontrollprobe soweit behandelt ist, daß die geforderte Kugelstrahlstruktur der Deckschicht erreicht ist« Wie in der Zeichnung gezeigt ist, wird der Grad bzw. das Ausmaß der Deckschicht festgestellt mittels der Menge der von der Oberfläche durch das Kugelstrahlen entfernten Beschichtung. Um einen hohen Genauigkeitsgrad bei der Prüfung der Deckschicht, beispielsweise einer 100%-igen Deckschicht sicherzustellen und die Anforderungen der Kunden zu erfüllen, kann die Kontrollprobe unter Vergrößerung geprüft werden« Bei den meisten Spezifikationen liegt die erforderliche Vergrößerung in der Größenordnung einer zehnfachen Vergrößerung. Auf diese ¥eise wird eine Kontrollprobe hergestellt, die erfindungsgemäß zur Bestimmung des Grades der Kugelstrahl-Verdichtung der Deckschicht eines Werkstücke verwendet wird, wie dies nachfolgend noch im einzelnen beschrieben ist.
Die Oberflächen eines kugelzustrahlenden Werkstücks oder Teils werden mit dem gleichen BeSchichtungsmaterial beschichtet, das bei der Herstellung der Kontrollprobe verwendet wurde. Nach der Aufbringung des Beschichtungematerials wird dieses getrocknet oder ausgehärtet und das Werkstück wird dann geprüft, um sicherzustellen, daß alle kugelzustrahlenden Oberflächen mit dem Beschichtungsmaterial bedeckt sind. Falls das Beschichtungsmaterial eine fluoreszierende Zusammensetzung bzw. ein fluoreszierendes Mittel
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oder Farbstoff ist, erfolgt die Prüfung vorzugsweise bei Bestrahlung mit ultra-violettem Licht.
Anschließend wird das zu behandelnde Werkstück mit vorbestimmter Stärke gemäß der Almen-Skala kugelgestrahlt, worauf das Werkstück im Vergleich zur Kontrollprobe geprüft und so bestimmt wird, ob die angestrebte Deckschicht erreicht ist oder nicht. Wenn das BeSchichtungsmaterial eine fluoreszierende Zusammensetzung bzw. ein Mittel oder ein Farbstoff ist, erfolgt die vergleichende Prüfung durch Bestrahlung des Werkstücks mit ultra-violettem Licht. Wenn die Fluoreszenzstrahlung auf allen Flächen der kugelgestrahlten Oberfläche des Werkstücks mit der von der Kontrollprobe unter ultra-violettem Licht ausgesandten Fluoreszenzstrahlung übereinstimmt, ist das Werkstück mit der geforderten Kugelstrahl-Deckschicht versehen» Wenn die vergleichende Prüfung zeigt, daß bestimmte Flächen der kugelgestrahlten Oberflächen des Werkstücks nicht oder nicht in hinreichendem Maße kugelgestrahlt sind, werden diese Flächen dann der Kugelstrahlbehandlung unterzogen und eine weitere vergleichende Prüfung wird durchgeführt, um festzustellen, ob die gewünschte Deckschicht erzeugt ist. Es ist ersichtlich, daß durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Prüfung von kugelgestrahlten Oberflächen von Werkstücken zur Bestimmung des Grades der Verdichtung der
kugelgestrahlten Deckschicht geschaffen wird, das in der Praxis oder der Serienfertigung von relativ ungeübten
Personen einfach durchzuführen ist. Das Verfahren ist auch geeignet zur Feststellung des Grades einer Kugelstrahlbehandlung auf kompliziert geformten Werkstücken. Außerdem ist es preiswert, genau und zuverlässig.
Obwohl vorstehend lediglich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben ist, wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Verschiedene Abwandlungen der Verfahrens-
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schritte können im Rahmen des Erfindungsgedankens verwirklicht werden.
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Claims (10)

  1. Patentansprüche
    .j Verfahren zur Prüfung kugelgestrahlter Oberflächen eines ¥erkstücks zur Bestimmung des Grades der durch das Kugelstrahlen erzielten Verdichtung der Deckschicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontrollprobe aus einem Material, das dem Material des durch Kugelstrahlen zu behandelnden Werkstücks entspricht, mit einem identifizierbaren Material beschichtet wird; daß die Kontrollprobe solange kugelgestrahlt wird, bis eine in vorbestimmtem Maß verdichtete Deckschicht erhalten wird, was zu einer Veränderung des Aussehens der aufgebrachten Schicht im Bereich der kugelgestrahlten Oberfläche führt; daß die Oberfläche des mit auf dieser Oberfläche mit dem gleichen Material wie die Kontrollprobe beschichteten kugelzustrahlenden Ferkstücks kugelgestrahlt wird; und daß das Aussehen der kugelgestrahlten Oberfläche des Werkstücks mit dem Aussehen der Kontrollprobe verglichen wird, wobei gleiches Aussehen der verglichenen Oberflächen zeigt, daß die kugelgestrahlten Oberflächen des Werkstücks das vorbestimmte Maß an Verdichtung der Deckschicht erfahren hat.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Werkstück vor dem Kugelstrahlen daraufhin geprüft wird, ob die gesamte kugelzustrahlende Oberfläche mit dem identifizierbaren Material beschichtet ist.
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als identifizierbares Material eine einen Farbstoff enthaltende Flüssigkeit verwendet wird.
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  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß als identifizierbares Material eine Flüssigkeit mit einem Farbstoff verwendet wird, der unter Einfluß von Licht lumineszierende Eigenschaften hat.
  5. 5· Verfahren nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß ein Farbstoff verwendet wird, der bei Bestrahlung mit Fluoreszenz hervorrufender Strahlungsenergie intensiv fluoresziert, und daß die kugelgestrahlte Oberfläche der Kontrollprobe und die kugelgestrahlte Oberfläche des Werkstücks bei Bestrahlung mit Fluoreszenz hervorrufender Strahlungsenergie verglichen werden«
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die kugelgestrahlte Oberfläche der Kontrollprobe unter Vergrößerung auf den Grad der Verdichtung der kugelgestrahlten Oberfläche geprüft wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine etwa zehnfache Vergrößerung gewählt wird.
  8. 8ο Verfahren nach. Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die zu prüfenden Oberflächen der Kontrollprobe und des Werkstücks mit ultra-violettem Lidit bestrahlt und verglichen werden, und daß das Werkstück erforderlichenfalls solange weiter kugelgestrahlt wird, bis alle Bereiche der kugelgestrahlten Oberflächen des Werkstücks gleiches Aussehen wie die Oberfläche der Kontrollprobe zeigen.
  9. 9· Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 8 auf ein Werkstück aus kugelzustrahlendem hartem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff die fluoreszierende Standard-Farbflüssigkeit Nr. 220 verwendet wird.
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  10. 10. Verfahren nach Anspruch. 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vor dem Kugelstrahlen mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, um festzustellen, ob alle zu behandelnden Oberflächen mit der den fluoreszierenden Farbstoff enthaltenden Flüssigkeit beschichtet sind.
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