DE2808902C3 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung der Primär-Silizium-Verteilung an der Oberfläche von Werkstücken aus siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Prüfung der Verteilung von Primär-Silizium-Anteiien an der Oberfläche siliziumhaltiger Aluminiumlegieruugen erfolgt in der Regel lichtoptisch mit einem Mikroskop. Voraussetzung für eine solche Prüfung ist jedoch, daß die zu prüfende Oberfläche zur Erzielung der erforderlichen guten üchtre.rexion spiegelglatt ist Eine solche Oberfläche erreicht man in der Praxis durch Schleifen und Polieren der zu betrachtenden Werkstückoberfläche. Eine mikroskopische Auswertung ist also nur möglich, wenn entweder von vornherein die erforderliche spiegelglatte Oberfläche vorliegt oder eine solche speziell zur Durchführung der Prüfung erzeugt wird.

Es gibt nun Fälle, in denen die Prüfung an der Oberfläche eines fertigen Werkstücks erfolgen soll und die Oberfläche dieses Werkstücks weder feinpoliert ist. noch feinpoliert sein darf. Ein Beispiel hierfür sind die Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotorenblöcken aus einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung. Die Zylinderoberflächen sind dabei zur Erzielung eines guten Lauf- bzw. Gleitverhaltens zwischen Kolben und Zylinderwand in einer ganz bestimmten Weise gehont. Will man an einer solchen Oberfläche, die zu Prüfzwecken nicht verändert werden darf, die Primär-Silizium-Verteirung über z. B. die gesamte Höhe der Zylinderbohrung prüfen, so scheidet eine mikroskopische Betrachtung wegen der ohne Zusatzbearbeitung für eine solche Betrachtung ungeeigneten Oberfläche aus. Eine zerstörungsfreie Prüfung ist damit bei Verwendung eines Mikroskopes nicht möglich.

Eine andere Möglichkeit, die Verteilung von Primär-Silizium-Kristallen an der Oberfläche einer Aluminiumlegierung zu prüfen, ist die sogenannte Abdruckmethode, Hierbei werden Folien auf die zu prüfende Oberfläche gedrückt und die Eindrücke in der Folie anschließend ausgewertet. Dieses Verfahren funk^ tioniert jedoch nur, wenn die Silizium-Teilchen aus der zu prüfenden Oberfläche herausragen, d. h. wenn zwischen dem festzustellenden Silizium und der umgebenden Aluminium-Matrix Höhenunterschiede bestehen. Wenn dies nicht der Fall ist, versagt ein

solches Abdruckverfahren mittels Folie,

Eine weitere Methode zur Siliziumermittlung in der

Oberfläche ist die Messung der Rauhigkeit der Oberfläche. Aber auch dieses Verfahren setzt ein Herausragen der Silizium-Teilchen aus der übrigen Aluminium-Matrix voraus.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die bisherigen Meßmethoden eine zerstörungsfreie Piüfung nur in Ausnahmefällen, nämlich wenn die für die einzelnen Meßverfahren erforderlichen Oberflächenausbildungen gerade zufällig vorliegen, erlauben.

Hier Abhilfe zu schaffen, und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem es unabhängig von der gerade vorliegenden Oberflächengüte möglich ist, eine sichere

'⁵ Aussage über die Verteilung von Primär-Silizium an der Oberfläche von siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen zu erhalten, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Un · eransprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist das Verfahren schematisch dargestellt

Das Prinzip der Messung ist folgendes:

Eine harte metallische Spitze eines Meßstiftes 1 wird unter geringem Druck über die Oberfläche der zu untersuchenden Pt ibe 2 aus einer übereutektischen AI-Si-Legierung geführt Dabei wird der elektrische Übergangswiderstand zwischen der Spitze des Meßstiftes 1 und der Probe 2 gemessen. Wenn die Spitze des Meßstiftes 1 auf ein Primärsilizium-Partikel 3 stößt, ist eine deutliche Widerstandszunahme zu verzeichnen. Die Ursache dafür liegt sowohl in der kleineren Auflagefläche der harten Spitze auf dem harten Silizium gegenüber der weichen Al-Matrix als auch in dessen schlechter elektrischen Leitfähigkeit als Halbmetall.

Im folgenden wird ein Beispiel für eine Messung angegeben. Ein Meßstift 1 mit einer Spitze aus Hartmetall mit 90° Spitzenwinke¹ wird unter einer Auflagekraft von 4 ρ über eine fettfreie gehonte Oberfläche einer übereutektischL-n Al-Si-Legierung (Probe 2) geführt.

Die Spitze des Meßstiftes 1 und die Probe 2 werden an eine Spannungsquelle mit 500 mV bei 500 Ohm Quellwiderstand ι ngeschlossen. Es wird der Spannungsabfall zwischen Spitze des Meßstiftes 1 und Probe 2 gemessen und auf einem Weg-Zeit-Schreiber registriert und zwar je nach Tastgeschwindigkeit auf einem Kompensations- ooer Lichtstrahlinstrument. Der Strom

^o durch die Meßspitze liegt dabei bei ca. 1 mA. Die Messung wird dabei unter Alkohol durchgeführt, um ein Abbrennen der Prüfspitze zu vermeiden, denn durch die geringe Auflagefläche treten Stromdichten in der Größenordnung von immerhin 10 A/mm² auf. Der Vorschub der Meßspitze wird durch einen Pneumatikzylinder mit hydraulischer Dämpfung durchgeführt.

Die Spitzen des Meßstiftes zeigen bei Verwendung von gehärtetem Stahl einen starken Verschleiß und können jeweils nur für eine Messung verwendet werden.

Bei Verwendung von Hartmetall zeigt die Spitze dagegen selbst nach mehreren Messungen noch keine Spuren von Verschleiß.

Ein Spitzenwinkel von 90° für die Spitze des Meßstiftes hat sich in Versuchen zwar bewährt, er stellt aber vermutlich noch kein Optimum dar. Voraussichtlich wird das Optimum bei Winkeln Unter 90° liegen, wobei die auf dem Meßstift liegende Last zu verringern sein wird. Last und Winkel sind aufeinander optimal

abzustimmen.

Die durch das Abtasten erhaltenen Meßsignale können sowohl analog als auch digital oder kombiniert weiterverarbeitet werden. Die Beschreibung der Gefügestruktur kann über die Erfassung folgender Parameter erfolgen:

Partikelzahl, bzw. die Schnittpunkthäufigkeit pro Eiiilieitsstrecke (z.B. 10mm) in ihrer Verteilung über Zylinderhöhe. Das Quadrat der Schnittpunkte pro Einheitsfläche ergibt dabei die Anzahl pro Flächeneinheit

10

15

Flächenanteil des Primär-Si, bzw. die Summe aller Impulslängen während des Abtasiens einer Einheitsstrecke (z. B. 1 cm) ergibt die Primär-Si-Menge und ermöglicht die Bestimmung ihrer Verteilung über die Zylinderhöhe.

Mittlere Si-Größe, bzw. der Quotient aus der Summe aller Impulslängen mit der Partikelzahl in seiner Verteilung über die Zylinderhöhe.

Größenklassenverteilung des Si

Die Meßimpulse werden je nach ihrer Länge in verschiedenen Speichern aufaddiert und für verschiedene Zylinderbereiche eine Gauß'sche Normalverteilung aufgestellt.

Primär-Si-Seigerungen

Durch elektronische Verlängerung der Meßimpulse werden nahe beieinanderliegende Si-Parükei als ein Partikel gemessen. Ein Vergleich der S'i-Anzahl bzw. der mittleren Größe mit den unmanipulierten Werten ergibt ein Maß für den Grad der Primär-Si-Seigerungen.

Die Meßwerterfassung kann über eine Aufzeichnung auf Tonband (Stereorekorder) erfolgen. Eine solche Aufzeichnung eignet sich zur Auswertung an einem Rechner. Wichtig für die Praxis ist, daß in Zweifelsfällen auch eine nachträgliche Betrachtung am Bildschirm möglich ist. Ferner wäre auch eine .-robe Vorkontrolle akustisch möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

no c\nn KJO ZIKJZ. Patentansprüche:

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung der Primär-Silizium-Verteilung an der Oberfläche von Werkstücken aus siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche m^:t der Spitze eines Stiftes aus leitfähigem Material schrittweise abgetastet wird, wobei der Stift und das zu prüfende Werkstück an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sind, und daß die Änderung des elektrischen Übergangswiderstandes zwischen der Spitze des Stiftes und der Oberfläche des Werkstückes gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des Stiftes einen Spitzen-Winkel von weniger oder gleich 90° aufweist

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des Meßstiftes aus Hartmetall oesieht